Un gruppo di ricercatori tra cui scienziati del RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Università di Tokyo, Università di Nagoya, e la Japan Atomic Energy Agency (JAEA) hanno utilizzato il Relativistic Heavy Ion Collider con spin polarizzato presso il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti per dimostrare che, nelle collisioni polarizzate protone-protone, i pioni neutri emessi nell'area molto avanzata delle collisioni, dove le interazioni dirette che coinvolgono quark e gluoni non sono applicabili, hanno ancora un ampio grado di asimmetria sinistra-destra. Questa scoperta suggerisce che il precedente consenso sulla generazione di particelle in tali collisioni deve essere rivalutato.

Comprendere il meccanismo attraverso il quale le particelle vengono create nelle collisioni che coinvolgono i protoni è importante per comprendere gli sciami di raggi cosmici, dove le particelle che entrano nell'atmosfera terrestre dallo spazio creano "docce" di particelle che ci aiutano a conoscere i fenomeni astronomici che si verificano nell'ambiente estremo dell'universo. Però, è molto difficile studiare come si creano le particelle, poiché la forza che lega i protoni nel nucleo e che legano quark e gluoni nei protoni - l'interazione forte o forza nucleare - è molto forte rispetto ad altre forze come la forza elettromagnetica e la gravità. Una strada per esplorare queste importanti sfide ha coinvolto un attributo dei protoni chiamato spin, che può essere inteso per analogia con il modo in cui una parte superiore del giocattolo ruota sul proprio asse. Lo spin dei protoni può essere allineato artificialmente, in un processo chiamato polarizzazione.

Negli anni '70, esperimenti con acceleratore presso l'Argonne National Laboratory negli Stati Uniti hanno rivelato che i pioni generati verso la parte anteriore delle collisioni che coinvolgono protoni polarizzati avevano una grande asimmetria sinistra-destra. L'energia dei protoni polarizzati utilizzati in questi esperimenti era di circa 10 miliardi di elettronvolt (GeV). Esperimenti a energie più elevate, incluso uno a 200 GeV utilizzando il fascio di protoni polarizzati al Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) negli Stati Uniti e al RHIC al Brookhaven National Laboratory (BNL) negli Stati Uniti, dove si sono scontrati due fasci di protoni da 100 GeV che si muovevano in direzioni opposte, ha mostrato che l'asimmetria sinistra-destra persisteva anche con protoni polarizzati ad alta energia. È emerso un consenso sul fatto che questa asimmetria fosse causata da interazioni dirette tra quark e gluoni nei protoni, basato su una teoria chiamata cromodinamica quantistica perturbativa (QCD).

Però, con ulteriori esperimenti al RHIC, cominciarono a emergere risultati che mettevano in discussione il consenso. Secondo Yuji Goto, uno degli autori del presente lavoro, "All'energia di RHIC, quark e gluoni sono sparsi, e varie particelle vengono generate sotto forma di getto. Quando è stata esaminata l'asimmetria sinistra-destra del getto generata davanti alla posizione di collisione a RHIC, E 'stato trovato che, contrariamente alle aspettative, il getto complessivo e i pioni contenuti nel getto non mostravano un'asimmetria sinistra-destra. Ciò ha suggerito che la causa dell'asimmetria sinistra-destra non fosse la diffusione diretta di quark e gluoni".

Per approfondire, i ricercatori hanno condotto esperimenti, pubblicato in Lettere di revisione fisica , dove hanno usato un rivelatore calorimetrico elettromagnetico precedentemente utilizzato nel Large Hadron Collider al CERN, noto come esperimento LHCf lì e esperimento RHICf al RHIC, per dare uno sguardo dettagliato ai raggi gamma generati dai decadimenti dei pioni nella regione molto avanzata del collisione. Hanno trovato, però, che l'asimmetria sinistra-destra nei pioni neutri persiste anche in quell'area molto ristretta.

Goto dice, "Abbiamo scoperto che l'asimmetria continua ad esistere con un angolo molto stretto proprio davanti alla collisione, ed infatti aumenta man mano che l'angolo si allontana da zero. Questo risultato richiede un riesame delle precedenti interpretazioni teoriche. Il piccolo angolo in avanti dell'asimmetria corrisponde alla regione energetica in cui i protoni causano lo stato eccitato, e il contributo di altri meccanismi - diffrazione e risonanza - può fornire un accenno al mistero".

Secondo Minho Kim, un International Program Associate presso RIKEN e studente laureato presso la Korea University, chi fu il primo autore dell'esperimento, "È stato fantastico poter lavorare con il nuovo rilevatore, e intendiamo continuare il nostro lavoro per comprendere il meccanismo che genera l'asimmetria sinistra-destra. Questo ci darà sicuramente informazioni sugli sciami di raggi cosmici e quindi ci aiuterà a comprendere i fenomeni che si verificano nell'ambiente estremo dell'universo".