Επιλεγμένα

Η θάλασσα κουάρκ ξαφνιάζει αποκαλύπτοντας βαθύτερη πολυπλοκότητα στον γρίφο του σπιν πρωτονίου

Από στις 21 Μαρτίου 2019

Νέα δεδομένα από το πείραμα STAR στο Σχετικιστικό Επιταχυντή Σύγκρουσης Βαρέων Ιόντων (RHIC) προσθέτουν λεπτομέρειες – και πολυπλοκότητα – σε έναν ενδιαφέροντα γρίφο που οι επιστήμονες αναζητούν να λύσουν: πώς οι δομικοί λίθοι που συγκροτούν το πρωτόνιο συνεισφέρουν στο σπιν του. Τα αποτελέσματα, που λίγες μόνο ημέρες πριν δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review D, αποκαλύπτουν κατά τρόπο αναμφισβήτητο για πρώτη φορά ότι διαφορετικές «γεύσεις» των αντικουάρκ συνεισφέρουν διαφορετικά στο ολικό σπιν του πρωτονίου – και με έναν τρόπο που είναι αντίθετος στο σχετικό πλήθος των γεύσεων αυτών.

Σύμφωνα με τον υπεύθυνο τύπου του πειράματος, James Drachenberg: «οι μετρήσεις αυτές δείχνουν ότι το κομμάτι κουάρκ του γρίφου του σπιν του πρωτονίου συγκροτείται από διάφορα κομμάτια. Δεν είναι ένας βαρετός γρίφος, δεν είναι ομοιόμορφα χωρισμένος. Υπάρχει μια περισσότερο πολύπλοκη εικόνα και αυτά τα αποτελέσματα μας δίνουν την πρώτη φευγαλέα ματιά στο πώς μοιάζει αυτή η εικόνα».

Δεν είναι η πρώτη φορά που η άποψη των επιστημόνων για το σπιν του πρωτονίου άλλαξε. Υπήρξε μια κανονικότατη «κρίση» σπιν τη δεκαετία του 1980 όταν ένα πείραμα στο CERN αποκάλυψε ότι το άθροισμα των σπιν των κουάρκ και των αντικουάρκ μέσα στο πρωτόνιο θα μπορούσε να αιτιολογήσει, στην καλύτερη περίπτωση, ένα τέταρτο του ολικού σπιν. Ο RHIC, κατασκευάστηκε εν μέρει έτσι ώστε οι επιστήμονες να μπορέσουν να μετρήσουν τις συνεισφορές άλλων συστατικών, συμπεριλαμβανομένων των αντικουάρκ και των γλοιονίων (που «κολλούν» μαζί, ή συνδέουν, τα κουάρκ και τα αντικουάρκ για να σχηματίσουν σωματίδια όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια).

Τα αντικουάρκ έχουν μόνο μια φευγαλέα ύπαρξη. Διαμορφώνονται ως ζεύγη κουάρκ-αντικουάρκ όταν διασπώνται τα γλοιόνια. «Αποκαλούμε αυτά τα ζευγάρια θάλασσα κουάρκ», αναφέρει ο Drachenberg. «Σε κάθε δεδομένη στιγμή, έχετε κουάρκ, γλοιόνια και μια θάλασσα ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ που συνεισφέρουν με κάποιο τρόπο στην περιγραφή του πρωτονίου. Κατανοούμε το ρόλο που παίζει αυτή η θάλασσα κουάρκ από ορισμένες απόψεις, όμως όχι σε σχέση με το σπιν».

Εξερευνώντας τη γεύση στη θάλασσα

Μια βασική σκέψη είναι αν διαφορετικές «γεύσεις» της θάλασσας κουάρκ συνεισφέρουν στο σπιν διαφορετικά. Τα κουάρκ εμφανίζονται με έξι γεύσεις – τις up και down ποικιλίες που συγκροτούν τα πρωτόνια και τα νετρόνια της συνηθισμένης ορατής ύλης και τέσσερα άλλα πιο εξωτικά είδη. Ο διαχωρισμός των γλοιονίων μπορεί να παραγάγει ζεύγη κουάρκ/αντικουάρκ up, κουάρκ/αντικουάρκ down – και μερικές φορές ακόμη πιο εξωτικά ζεύγη κουάρκ/αντικουάρκ.

«Δεν υπάρχει αιτιολόγηση γιατί ένα γλοιόνιο θα προτιμούσε να διασπαστεί στη μία ή στην άλλη από αυτές τις γεύσεις», αναφέρει ο Ernst Sichtermann, ένας από τη συνεργασία STAR, από το Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (LBNL) του Υπουργείου Ενέργειας (DOE), που έπαιξε ηγετικό ρόλο στην έρευνα της θάλασσας κουάρκ. «Αναμέναμε ίσους αριθμούς [των up και down ζευγών], όμως δεν είναι αυτό που βλέπουμε». Μετρήσεις στο CERN και στο Εργαστήριο του Εθνικού Επιταχυντή Fermi του DOE έχουν σταθερά βρει περισσότερα down αντικουάρκ από ότι up αντικουάρκ.

«Επειδή αυτό αποτελεί έκπληξη – μια ασυμμετρία στο πλήθος αυτών των δύο γεύσεων – θεωρήσαμε ότι θα μπορούσε να υπάρξει έκπληξη στο ρόλο τους στο σπιν», είπε ο Drachenberg. Πράγματι, προηγούμενα αποτελέσματα από τον RHIC έδειξαν ότι υπήρξε μια διαφορά στο πώς οι δυο γεύσεις συνεισφέρουν στο σπιν, ενθαρρύνοντας την ομάδα STAR να κάνει περισσότερα πειράματα.

Το μοντέλο (αριστερά) του ανιχνευτή STAR (φωτογραφία) δείχνει τα κύρια συστατικά του που χρησιμοποιήθηκαν για τα αποτελέσματα

Το αποτέλεσμα αυτό αντιπροσωπεύει τη συσσώρευση δεδομένων από το εικοσαετές πρόγραμμα σπιν του RHIC. Είναι το τελικό αποτέλεσμα από μια από τις δυο στήλες που δραστηριοποιήθηκαν στο πρόγραμμα σπιν από το ξεκίνημα του RHIC.

Για όλα αυτά τα πειράματα, ο STAR ανέλυσε τα αποτελέσματα των πολωμένων συγκρούσεων πρωτονίων στον RHIC – συγκρούσεις όπου η κατεύθυνση του ολικού σπιν των δυο δεσμών πρωτονίων του RHIC ευθυγραμμίζονταν με ιδιαίτερους τρόπους. Η αναζήτηση διαφοροποιήσεων στον αριθμό ορισμένων σωματίων που παράγονται όταν η κατεύθυνση του σπιν της μιας πολωμένης δέσμης πρωτονίων αναστρέφεται, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να παρακολουθήσει το ευθυγραμμισμένο σπιν διάφορων συστατικών – και έτσι την συνεισφορά τους στο ολικό σπιν του πρωτονίου.

Για τις μετρήσεις της θάλασσας κουάρκ, οι φυσικοί του STAR μέτρησαν ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια – την αντιύλη των ηλεκτρονίων που είναι ίδια σε όλα εκτός από το ότι φέρουν θετικό αντί αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια προέρχονται από τη διάσπαση των σωματίων που καλούνται W μποζόνια, που επίσης υπάρχουν σε δυο ποικιλίες, θετική και αρνητική, που εξαρτάται από το αν περιέχουν ένα up ή ένα down αντικουάρκ. Η διαφορά στον αριθμό των ηλεκτρονίων που παράγονται όταν η κατεύθυνση του σπιν των πρωτονίων που συγκρούονται αναστρέφεται δείχνει μια διαφορά στην παραγωγή W- και χρησιμεύει ως υποκατάστατο μέτρησης ευθυγράμμισης των σπιν των up αντικουάρκ. Όμοια, η διαφορά στα ποζιτρόνια προέρχεται από μια διαφορά στην παραγωγή των W+ και χρησιμεύει για το ρόλο υποκατάστατου για τη μέτρηση της συνεισφοράς στο σπιν των down αντικουάρκ.

Ο νέος ανιχνευτής προσθέτει ακρίβεια

Τα τελευταία δεδομένα περιλαμβάνουν σήματα από το πρόσθετο θερμιδόμετρο του STAR, που εντοπίζει σωμάτια που ταξιδεύουν κοντά στη γραμμή δέσμης προς τα εμπρός και προς τα πίσω σε κάθε σύγκρουση. Με αυτά τα νέα δεδομένα να προστίθενται στα δεδομένα από σωμάτια που αναδύονται κάθετα στην ζώνη σύγκρουσης οι επιστήμονες έχουν περιορίσει την αβεβαιότητα στα αποτελέσματά τους. Τα δεδομένα δείχνουν κατά τρόπο αναμφισβήτητο, για πρώτη φορά, ότι τα σπιν των up αντικουάρκ έχουν μεγαλύτερη συνεισφορά στο ολικό σπιν του πρωτονίου από ότι τα σπιν των down αντικουάρκ.

Αυτή η «ασυμμετρία γεύσης», όπως την αποκαλούν οι επιστήμονες, είναι έκπληξη η ίδια, όμως ακόμη η έκπληξη γίνεται περισσότερη λαμβάνοντας υπόψη ότι είναι περισσότερα τα down αντικουάρκ από τα up αντικουάρκ, σύμφωνα με δήλωση επιστήμονα του Πανεπιστημίου Shandong.

Συγκρούσεις πολωμένων πρωτονίων (δέσμη που εισέρχεται από αριστερά και μη-πολωμένα πρωτόνια (δεξιά) συντελούν στην παραγωγή W μποζονίων (σε αυτή την περίπτωση, W-)

Όπως σημείωσε ο Sichtermann, «Αν επιστρέψουμε στον αρχικό γρίφο του σπιν του πρωτονίου, όπου μάθαμε ότι το άθροισμα των σπιν των κουάρκ και αντικουάρκ δικαιολογεί μόλις ένα κλάσμα του σπιν του πρωτονίου, τα επόμενα ερωτήματα είναι ποια είναι η συνεισφορά του γλοιονίου; Ποια είναι η συνεισφορά από την τροχιακή κίνηση των κουάρκ και των γλοιονίων; Αλλά επίσης, γιατί είναι η συνεισφορά των κουάρκ τόσο μικρή; Είναι εξαιτίας της εξουδετέρωσης των συνεισφορών στο σπιν κουάρκ και αντικουάρκ; Ή είναι εξαιτίας των διαφορών μεταξύ των διαφορετικών γεύσεων των κουάρκ; Προηγούμενα αποτελέσματα από τον RHIC έχουν δείξει ότι τα γλοιόνια παίζουν ένα σημαντικό ρόλο στο σπιν του πρωτονίου. Αυτή η νέα ανάλυση δίνει μια καθαρή ένδειξη ότι η θάλασσα παίζει επίσης ένα σημαντικό ρόλο. Είναι μακράν περισσότερο περίπλοκο από ότι η διάσπαση των γλοιονίων σε όποια γεύση θέλεις – και ένας πολύ καλός λόγος να κοιτάξουμε βαθύτερα μέσα στη θάλασσα».

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι μετά από πολλά χρόνια πειραματικής εργασίας στο RHIC αυτό το συναρπαστικό νέο αποτέλεσμα παρέχει μια ουσιαστικά βαθύτερη κατανόηση των κβαντικών διακυμάνσεων των κουάρκ και των γλοιονίων μέσα στο πρωτόνιο. Θεωρούν επίσης ότι αυτά θα είναι τα είδη των θεμελιακών ερωτήσεων που ελκύουν νέα μυαλά – τους σπουδαστές οι οποίοι θα συνεχίσουν να επεκτείνουν τα όρια της ανθρώπινης γνώσης. Επιπλέον οι μετρήσεις του STAR μπορεί να προσφέρουν γνώσεις για τη συνεισφορά στο σπιν των εξωτικών ζευγών κουάρκ/αντικουάρκ. Επιπροσθέτως οι επιστήμονες στις ΗΠΑ ελπίζουν να εξετάσουν καλύτερα στο μυστήριο του σπιν στον προτεινόμενο μελλοντικό Επιταχυντή Σύγκρουσης Ηλεκτρονίου-Ιόντος. Αυτός ο επιταχυντής σωματιδίων θα χρησιμοποιήσει ηλεκτρόνια για την άμεση ανίχνευση της δομής του σπιν των εσωτερικών συστατικών ενός πρωτονίου – και θα πρέπει τελικά να λυθεί ο γρίφος του σπιν του πρωτονίου.

Πηγή: Brookhaven National Laboratory

Περισσότερα στη δημοσίευση: Measurement of the longitudinal spin asymmetries for weak boson production in proton-proton collisions at √s=510 GeV. Physical Review D.

Egno Editorial

Egno Editorial

Το Editorial Team του egno. Επικοινωνήστε μαζί μας μέσω της φόρμας επικοινωνίας.