Il puzzle dello spin del protone:gli scienziati vogliono sapere come i diversi costituenti del protone contribuiscono al suo spin, una proprietà fondamentale che gioca un ruolo nel modo in cui questi mattoni danno origine a quasi tutta la materia visibile nell'universo. I pezzi del puzzle includono il momento angolare orbitale di quark e gluoni (in alto a sinistra), spin di gluoni (in alto a destra) e spin di quark e antiquark (in basso). Gli ultimi dati del RHIC rivelano che il contributo degli antiquark è più complesso di quanto si pensasse in precedenza. Credito:Brookhaven National Laboratory
I nuovi dati dell'esperimento STAR al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) aggiungono dettagli e complessità a un intrigante enigma che gli scienziati hanno cercato di risolvere:come i mattoni che compongono un protone contribuiscono alla sua rotazione. I risultati, appena pubblicato come comunicazione rapida sulla rivista Revisione fisica D , rivelano definitivamente per la prima volta che diversi "sapori" di antiquark contribuiscono in modo diverso allo spin complessivo del protone, e in un modo opposto alla relativa abbondanza di quei sapori.
"Questa misurazione mostra che il pezzo di quark del puzzle di spin protonico è composto da diversi pezzi, " disse James Drachenberg, un vice portavoce di STAR della Abilene Christian University. "Non è un puzzle noioso; non è diviso equamente. C'è un'immagine più complicata e questo risultato ci dà il primo assaggio di come appare quell'immagine".
Non è la prima volta che la visione degli scienziati sullo spin del protone cambia. C'è stata una vera e propria "crisi" di spin negli anni '80 quando un esperimento presso il Centro europeo per la ricerca nucleare (CERN) ha rivelato che la somma degli spin di quark e antiquark all'interno di un protone potrebbe spiegare, nella migliore delle ipotesi, un quarto della rotazione complessiva. RHIC, una struttura utente dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti per la ricerca sulla fisica nucleare presso il Brookhaven National Laboratory, è stato costruito in parte in modo che gli scienziati potessero misurare i contributi di altri componenti, compresi antiquark e gluoni (che "incollano" insieme, o legare, i quark e gli antiquark per formare particelle come protoni e neutroni).
Gli antiquark hanno solo un'esistenza fugace. Si formano come coppie quark-antiquark quando i gluoni si dividono.
"Chiamiamo queste coppie mare di quark, "Drachenberg ha detto. "In un dato istante, hai i quark, gluoni, e un mare di coppie quark-antiquark che contribuiscono in qualche modo alla descrizione del protone. Comprendiamo il ruolo che questi quark di mare giocano sotto alcuni aspetti, ma non per quanto riguarda lo spin."
Esplorare il gusto nel mare
Una considerazione chiave è se i diversi "sapori" dei quark di mare contribuiscono allo spin in modo diverso.
Questo modello del rivelatore STAR mostra i principali componenti del rivelatore utilizzati in questo risultato. Gli elettroni dei decadimenti del bosone W- (oi positroni dei decadimenti del W+) vengono tracciati all'interno di un campo magnetico utilizzando la Time-Projection Chamber (TPC). Il campo magnetico fa sì che le particelle negative e positive si incurvino in modi opposti, permettendo agli scienziati di identificare quale è quale. Il calorimetro elettromagnetico a botte (BEMC) misura l'energia delle particelle che emergono da collisioni perpendicolari dai fasci collidenti, mentre l'Electromagnetic Endcap Calorimeter (EEMC) fa lo stesso per le particelle che emergono nella direzione in avanti. Questa immagine mostra una traccia di elettroni simulata (rossa) che punta a una grande deposizione di energia localizzata nel BEMC (anch'essa rossa). Credito:T. Sakuma
I quark sono disponibili in sei tipi:le varietà su e giù che compongono i protoni e i neutroni della normale materia visibile, e altre quattro specie più esotiche. La scissione dei gluoni può produrre coppie quark/antiquark, coppie quark/antiquark down e talvolta anche coppie più esotiche quark/antiquark.
"Non c'è motivo per cui un gluone preferirebbe dividersi nell'uno o nell'altro di questi sapori, " disse Ernst Sichtermann, un collaboratore STAR del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) del DOE che ha svolto un ruolo di primo piano nella ricerca sui quark marini. "Ci aspetteremmo un numero uguale [di coppie su e giù], ma non è quello che stiamo vedendo." Le misurazioni al CERN e al Fermi National Accelerator Laboratory del DOE hanno costantemente trovato più antiquark down che antiquark up.
"Poiché c'è questa sorpresa, un'asimmetria nell'abbondanza di questi due sapori, abbiamo pensato che potesse esserci anche una sorpresa nel loro ruolo nello spin, " disse Drachenberg. Infatti, i risultati precedenti di RHIC indicavano che potrebbe esserci una differenza nel modo in cui i due sapori contribuiscono alla rotazione, incoraggiando il team STAR a fare più esperimenti.
Raggiungere obiettivi di spin
Questo risultato rappresenta l'accumulo di dati dal programma di spin RHIC di 20 anni. È il risultato finale di uno dei due pilastri iniziali che motivano il programma di spin agli albori di RHIC.
Per tutti questi esperimenti, STAR ha analizzato i risultati delle collisioni di protoni polarizzati al RHIC, collisioni in cui la direzione di rotazione complessiva dei due fasci di protoni di RHIC era allineata in modi particolari. La ricerca delle differenze nel numero di determinate particelle prodotte quando la direzione di spin di un fascio di protoni polarizzati viene capovolta può essere utilizzata per tracciare l'allineamento di spin di vari costituenti, e quindi i loro contributi allo spin complessivo del protone.
Per le misurazioni del quark marino, I fisici di STAR hanno contato elettroni e positroni, versioni di antimateria di elettroni che sono uguali in tutto, tranne per il fatto che portano una carica elettrica positiva anziché negativa. Gli elettroni e i positroni provengono dal decadimento di particelle chiamate bosoni W, che vengono anche in varietà negative e positive, a seconda che contengano un antiquark up o down. La differenza nel numero di elettroni prodotti quando la direzione di spin del protone in collisione viene capovolta indica una differenza nella produzione di W e serve come sostituto per misurare l'allineamento di spin degli antiquark up. Allo stesso modo, la differenza nei positroni deriva da una differenza nella produzione di W+ e serve come sostituto per misurare il contributo di spin degli antiquark down.
Le collisioni di protoni polarizzati (fascio che entra da sinistra) e protoni non polarizzati (a destra) determinano la produzione di bosoni W (in questo caso, W-). I rivelatori di RHIC identificano le particelle emesse come decadimento dei bosoni W (in questo caso, elettroni, e-) e gli angoli ai quali emergono. Le frecce colorate rappresentano diverse direzioni possibili, che sondano i diversi sapori di quark, ad es. un antiquark "up" (u) e un quark "down" (d) contribuiscono allo spin del protone. Credito:Brookhaven National Laboratory
Nuovo rilevatore, maggiore precisione
Gli ultimi dati includono segnali catturati dal calorimetro endcap di STAR, che raccoglie le particelle che viaggiano vicino alla linea di luce in avanti e all'indietro da ogni collisione. Con questi nuovi dati aggiunti ai dati delle particelle che emergono perpendicolarmente alla zona di collisione, gli scienziati hanno ridotto l'incertezza nei loro risultati. I dati mostrano definitivamente, per la prima volta, che gli spin degli antiquark up danno un contributo maggiore allo spin protonico complessivo rispetto agli spin degli antiquark down.
"Questa 'asimmetria di sapore, ' come lo chiamano gli scienziati, è di per sé sorprendente, ma ancora di più considerando che ci sono più antiquark down che antiquark up, " ha detto Qinghua Xu dell'Università di Shandong, un altro scienziato capo che ha supervisionato uno degli studenti laureati la cui analisi era essenziale per il documento.
Come ha notato Sichtermann, "Se torni al puzzle dello spin protonico originale, dove abbiamo appreso che la somma degli spin del quark e dell'antiquark rappresenta solo una frazione dello spin del protone, le prossime domande sono:qual è il contributo dei gluoni? Qual è il contributo del moto orbitale dei quark e dei gluoni? Ma anche, perché il contributo del quark è così piccolo? È a causa di una cancellazione tra quark e contributi di spin antiquark? O è a causa delle differenze tra i diversi gusti di quark?
"Precedenti risultati di RHIC hanno dimostrato che i gluoni svolgono un ruolo significativo nello spin del protone. Questa nuova analisi fornisce una chiara indicazione che anche il mare svolge un ruolo significativo. È molto più complicato della semplice scissione dei gluoni in qualsiasi sapore ti piaccia, e molto un buon motivo per guardare più a fondo nel mare."
Bernd Surrow, un fisico della Temple University che ha contribuito a sviluppare il metodo del bosone W e ha supervisionato due degli studenti laureati le cui analisi hanno portato alla nuova pubblicazione, è d'accordo. "Dopo molti anni di lavoro sperimentale al RHIC, questo nuovo ed entusiasmante risultato fornisce una comprensione sostanzialmente più profonda delle fluttuazioni quantistiche di quark e gluoni all'interno del protone. Questi sono i tipi di domande fondamentali che attraggono le giovani menti, gli studenti che continueranno ad espandere i limiti della nostra conoscenza".
Ulteriori misurazioni STAR potrebbero offrire informazioni sui contributi di spin delle coppie esotiche quark/antiquark. Inoltre, Gli scienziati statunitensi sperano di approfondire il mistero dello spin in un futuro Electron-Ion Collider. Questo acceleratore di particelle utilizzerebbe gli elettroni per sondare direttamente la struttura di spin dei componenti interni di un protone e, alla fine, dovrebbe risolvere il puzzle dello spin del protone.
