Questa immagine mostra come l'asse della parte superiore di un giocattolo devia in un percorso circolare dal suo allineamento dritto su e giù mentre la parte superiore ruota attorno a quell'asse. Conoscendo il tasso di questa deviazione, chiamata precessione, per i protoni rotanti che viaggiano attorno a un acceleratore di particelle come RHIC aiuta i fisici a mantenere le particelle allineate per gli esperimenti che esplorano le fonti di spin dei protoni. Credito:Brookhaven National Laboratory
Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un modo non invasivo per misurare la "sintonizzazione di spin" dei protoni polarizzati al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un fattore importante per mantenere l'allineamento di queste particelle rotanti.
La tecnica è simile al modo in cui la risonanza magnetica (MRI) manipola lo spin del protone per "vedere" le strutture all'interno del corpo. E come la risonanza magnetica, la tecnica può essere utilizzata come strumento "diagnostico", in questo caso per migliorare le prestazioni del collisore mentre esplora come i mattoni interni dei protoni contribuiscono alla loro rotazione.
"Per capire come gli elementi costitutivi dei protoni, quark e gluoni, contribuiscono alla rotazione, collidiamo fasci di protoni le cui direzioni di spin individuali sono "polarizzate, "significato allineato il più possibile, " ha detto Thomas Roser, capo del dipartimento degli acceleratori di collisione del Brookhaven Lab. Ma le forze esterne e alcuni metodi per misurare le deviazioni possono "depolarizzare" i raggi.
La nuova tecnica misura l'ampiezza e la frequenza della precessione dei protoni, una deviazione circolare degli assi di queste particelle rotanti dal loro percorso perfettamente allineato, senza destabilizzare i raggi.
"Possiamo misurare la precessione in modo non invasivo mentre l'acceleratore funziona, " ha detto Roser. "Questo ci fornisce informazioni che possiamo utilizzare per apportare modifiche che mantengono i protoni allineati".
L'allineamento di spin di un protone oscilla attorno alla direzione di spin stabile (freccia nera continua) tra i due confini (frecce rosse tratteggiate) su molti giri dell'orbita. Credito:Brookhaven National Laboratory
Cosa fa oscillare i protoni
Con fasci polarizzati in RHIC, o qualsiasi acceleratore circolare, la direzione di rotazione media di ciascun gruppo di protoni si allinea con il campo magnetico dell'acceleratore. Ma come una trottola che inizia a traballare, l'asse di un protone a volte inizia a ruotare attorno a un percorso circolare che devia dal perfetto allineamento. Quella oscillazione è nota come precessione.
Se qualche fonte esterna, come piccole imperfezioni nel campo magnetico, si sincronizza con la frequenza della precessione, può amplificare l'oscillazione dei protoni e causare la depolarizzazione del fascio.
"Ci sono stati altri modi per misurare la frequenza di precessione, ma le tecniche utilizzate fino ad oggi causano effettivamente la depolarizzazione che tali misurazioni cercherebbero di evitare, " ha detto Roser. "Il nostro nuovo metodo misura la frequenza della precessione senza depolarizzare il raggio in modo da poter apportare correzioni per mantenere i protoni allineati o addirittura invertire la direzione di rotazione quando lo si desidera".
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). Credito:Brookhaven National Laboratory
Roser ha spiegato come la nuova tecnica funziona in modo simile al modo in cui funzionano le scansioni MRI:in primo luogo, un potente campo magnetico allinea tutti gli spin dei protoni, poi gli scienziati applicano un campo elettromagnetico esterno a frequenza variabile, cercando la frequenza alla quale gli assi dei protoni iniziano a inclinarsi lontano da stabile.
"È come sintonizzare una manopola di una radio antiquata per cercare una stazione, " ha detto Roser. "La chiave è avvicinarsi alla frequenza di ribaltamento senza innescare la destabilizzazione".
Nella risonanza magnetica, i segnali generati dalla precessione dei protoni danno informazioni sulle strutture interne del corpo. Al RHIC forniscono informazioni su come regolare i magneti dell'acceleratore per mantenere la polarizzazione del raggio.
La nuova tecnica porterà a un funzionamento più stabile e ottimizzato presso RHIC per la ricerca sulla fisica nucleare e potrebbe anche essere utilizzata in un pianificato collisore di elettroni-ioni polarizzati da posizionare negli Stati Uniti.
