FoodPro Preloader

Proton Spin Mystery får en ny anelse


Protoner har en konstant spinn som er en egenartet partikkelegenskap som masse eller ladning. Likevel, hvor dette spinnet kommer fra, er et slikt mysterium, det kalles "proton spin-krisen." I utgangspunktet trodde fysikere at en protons spin var summen av spinnene i de tre komponentkvarkene

Protoner har en konstant spinn som er en egenartet partikkelegenskap som masse eller ladning. Likevel, hvor dette spinnet kommer fra, er et slikt mysterium, det kalles "proton spin-krisen." I utgangspunktet trodde fysikere at en protons spin var summen av spinnene i de tre komponentkvarkene. Men et eksperiment fra 1987 viste at kvarker kan tegne seg for bare en liten del av protonens spinn, og hevder spørsmålet om hvor resten oppstår. Kvarkene inne i et proton holdes sammen av gluoner, så forskere foreslo kanskje de bidrar med spin. Den ideen har nå støtte fra et par studier som analyserer resultatene av protonkollisjoner i Relativistic Heavy-Ion Collider (RHIC) ved Brookhaven National Laboratory i Upton, NY
Fysikere forklarer ofte spinn som en partikkels rotasjon, men den beskrivelsen er mer metaforisk enn bokstavelig. Faktisk er spin en kvantemengde som ikke kan beskrives i klassiske termer. Akkurat som et proton ikke egentlig er en liten marmor, men snarere en jumble av fantompartikler som opptrer og forsvinner kontinuerlig, er rotasjonen en kompleks probabilistisk egenskap. Likevel er det alltid lik en halv.
Quarks har også en omgang på en halv. Fysikere antok opprinnelig at to av protonens tre kvarker alltid spredte i motsatte retninger, avbrutt hverandre ut, og etterlot de resterende halvparten som protons totale spinn. "Det var den naive ideen for 25 år siden, " sier Daniel de Florian ved Universitetet i Buenos Aires, leder av et av de nye papirene, som ble utgitt 2. juli i Physical Review Letters . "Ved slutten av 80-tallet var det mulig å måle bidraget fra rotasjon av kvarkene til rotasjon av protonen, og den første måling viste at den var 0 prosent. Det var en veldig stor overraskelse. "Senere målinger som faktisk foreslås, kan kvarkere bidra til opptil 25 prosent av protons totale spinn, men det gir fortsatt løvenes andel uberegnet for.
Gluoner er også tilstede i protoner som representanter for den sterke atomkraft, en grunnleggende samhandling som binder kvarkene sammen. Gluoner har hver en rotasjon på 1, og avhengig av hvilken retning det er, kan de legge opp for å få mest mulig ut av resten av protonens spinn. Å måle deres bidrag er en vanskelig oppgave. RHIC er det eneste eksperimentet som kan løse spørsmålet, fordi det er den eneste partikkelakseleratoren som er bygget for å kollidere "spin-polariserte" protoner, noe som betyr at partiklene alle snurrer i en bestemt retning når de krasjer. (På den kraftigere Large Hadron Collider i Sveits er partikkelspinnene ikke justert.)
Når to protoner slam sammen, styres deres interaksjon av sterk kraft, slik at gluoner er nært involvert. Hvis gluon-spinn er en viktig ingrediens i protonspinn, bør orienteringen av de kolliderende protonernes spinn påvirke utfallet. Forskere ville forvente kollisjoner mellom to protoner hvis spinnene var justert ville skje med en annen frekvens enn kollisjoner mellom de som spinner i motsatt retning. Og ifølge nyere data fra RHIC er det en forskjell. "Hvis det ikke er noen foretrukket posisjon, vil forskjellen være nøyaktig null, " sier University of Oxford-fysikeren Juan Rojo, medlem av den såkalte NNPDF Collaboration som skrev det andre papiret, som ble sendt til Nuclear Physics B. "Siden asymmetrien ikke er null, forteller dette oss at fordelingen av spinnet ikke er trivielt." Rojos lag beregnet at gluoner trolig bidrar med halvparten av spinnet som quarks gjør til protonen. De Florian og hans kollegaer analyserte de samme dataene fra RHIC, men brukte en annen matematisk analyse for å beregne gluonbidraget. De fant også at gluon-spinn må være betydelig involvert. "Disse dataene for første gang viser at gluonpolariseringen egentlig er null. vi ser at gluonene er polariserte, sier Florian. "I utgangspunktet kan de være ansvarlige for resten av protonspinnet, men usikkerheten er veldig stor."
Begge lagene sier at deres arbeid bare er begynnelsen på søket for å forstå hvordan gluoner påvirker protonspinn. For å være sikker er det nødvendig med et større eksperiment. Den beste kandidaten, sier de, er en foreslått elektron-ion-kollider som kan bygges på Brookhaven. Denne maskinen vil kollidere polariserte protoner ved høyere energier enn RHIC gjør og kunne sonde bidraget av høyere energi gluoner til proton spin, i stedet for det relativt lavere energiområdet de nåværende dataene gjør.
Hvis gluon-spinn ikke gir balansen til det manglende proton-spinnet, kan resten oppstå fra kvadratens orbitale vinkelmoment og gluoner som sverger rundt inne i protonen. Akkurat som jorden roterer på sin egen akse, så vel som bølger solen, har kvarker og gluoner sitt eget indre spinn, sammen med vinkelmomentet som kommer fra bevegelsen rundt sentrum av protonen. Spørsmålet, sier fysiker Robert Jaffe fra Massachusetts Institute of Technology, som ikke var involvert i forskningen, er hvilken del av den totale spinningen hvert av disse elementene bidrar til. Han legger til: "Måling av gluonbidraget til protonspinnet er et trinn - en viktig en - for å svare på dette spørsmålet."
Å løse protonspinnkrisen er viktig, ikke bare for å forstå spinn, men for å lære hvor protoner og mange andre partikler får sine masser. Den nylig oppdagede Higgs bosonen er ofte sies å være ansvarlig for å gi masse på alle andre partikler. Dette er sant, men det er ikke hele sannheten, sier Rojo. I tillegg til Higgs-mekanismen, er en annen prosess på jobb for å gi protoner masse. Denne prosessen er relatert til inneslutning - årsaken kvarks og gluoner er alltid funnet begrenset i andre partikler, for eksempel protoner, og aldri alene. Dynamikken i inneslutning påvirker også spinnpolarisasjonen av kvarker og gluoner. "En av de mest fremragende problemene i moderne teoretisk fysikk er å forstå inneslutning, " sier Rojo. "Jo bedre vi forstår polarisasjonsfordelingen av kvarker og gluoner, jo nærmere kommer vi til forståelse av inneslutning. Med våre data har vi den underliggende mekanismen for inneslutning og til slutt for hvor protonsmassen kommer fra. "