Att beräkna en protons snurr var tidigare en enkel collegeuppgift. Faktiskt, Carl Gagliardi minns att han svarade på den frågan när han var fysikstudent på 1970-talet. Men det verkliga svaret visade sig inte alls vara enkelt. Även Gagliardis "rätta" svar motbevisades av experiment några år senare som vände upp och ner på fältet.

Protoner är en av de tre partiklarna som utgör atomer, universums byggstenar. En protons spinn är en av dess mest grundläggande egenskaper. Eftersom protoner delvis består av kvarkar, forskare antog att protonsnurren bara var summan av kvarkspinnerna.

Men studier på 1980-talet visade att verkligheten är mycket mer komplex. Sedan dess, Gagliardi och andra forskare har använt DOE Office of Sciences unika användarfaciliteter vid Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) och Brookhaven National Laboratory för att utforska detta grundläggande fenomen.

Undersöker en naturkraft

Protoner har alltid "spin". Riktningen och styrkan hos en protons spinn bestämmer dess magnetiska och elektriska egenskaper. Förändringar av protonens spinn förändrar också dess struktur.

"Genom att förstå hur [en protons komponenter] spelar av varandra för att producera spin, vi kan lära oss om hur Moder Natur bygger en proton, sa Gagliardi, nu forskare vid Cyclotron Institute vid Texas A&M. Han samarbetar på arbetet på Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory på Long Island, New York.

Att ha ett bättre grepp om protonernas spinn och struktur kan leda till oväntade fördelar. Precis som James Clerk Maxwells upptäckter om elektromagnetism på 1860-talet lade grunden för dagens elektronik, vissa forskare tror att förståelse av protonspin kan leda till liknande framsteg.

"[Maxwells ekvationer] var mänsklighetens herravälde över en grundläggande naturkraft, elektromagnetism, sa John Lajoie, en Iowa State forskare som arbetar med RHIC. "Vad vi försöker göra är att få en grundläggande förståelse för kraften som binder kvarkarna till protonen."

Oväntade fynd

"Att studera spin i fysik har lett till många överraskningar, sa Elke-Caroline Aschenauer, som leder Brookhavens forskargrupp inriktad på protonspin. Men naturen har inte gett upp sina hemligheter lätt.

Forskare trodde först att varje proton helt bestod av bara tre kvarkar, som tillsammans avgjorde snurran. Kvarkar är elementarpartiklar som forskare inte har kunnat bryta ner i mindre delar.

Men ju närmare de tittade, desto mer komplex blev bilden. Det första experimentet vid European Organization for Nuclear Research (CERN) antydde att kvarkspinn bidrog nästan ingenting till protonspinnet. Sedan dess, mer exakta experiment har höjt kvarkspinnbidraget till 25 till 30 procent. Det lämnar en hel del outgrundad.

Istället för att bli besviken, många fysiker var förtjusta.

"Jag lever för att ha fel, sa Lajoie. Det är där vi lär oss.

Slår ihop partiklar

För att undersöka protoner och andra subatomära partiklar, forskare använder acceleratorer för att kollidera dem med hastigheter nära ljusets hastighet.

"Partikelfysiker har egentligen inte utvecklats mycket längre än grottmännens dagar när det gäller att slå ihop två stenar, " skämtade Lajoie.

Acceleratorerna vid Brookhaven och Jefferson Labs har den unika förmågan att polarisera strömmar av partiklar. Det betyder att de koordinerar partiklarnas snurr så att de är inriktade i samma riktning.

Vid Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), en DOE Office of Science User Facility vid Jefferson Lab i Newport News, Virginia, maskinen skjuter en polariserad elektronstråle in i ett stationärt mål. Målet är också polariserat. Att kollidera elektronstrålen med protonerna eller neutronerna i målet ger forskare särskilt god insikt om kvarkars bidrag till spinn. När strålen träffar målet, partiklar sprids i olika vinklar. En elektronspektrometer identifierar sedan vilka typer och hur många partiklar som resulterade från experimentet.

RHIC vid Brookhaven skickar två strålar av protoner genom en fyra mil lång tunnel. När de kolliderar, partiklarna sliter isär varandra och omgrupperar omedelbart. De träffar två husstora detektorer som samlar in data om deras riktning, Momentum, och energi.

"Det är bara en fantastisk prestation av mänskligheten, sade Ernst Sichtermann, en forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory och biträdande talesperson för ett av RHIC:s experiment.

Som den enda anläggningen som kan polarisera och kollidera protoner, RHIC är användbart för att förstå gluonernas bidrag. Gluoner är de partiklar som håller kvarkar ihop för att bilda protoner och neutroner.

Att jämföra och kontrastera resultat är en viktig del av protonspinnforskning. Båda laboratorierna genomför experiment som undersöker vad som händer när man kolliderar med partiklar som snurrar i samma riktning jämfört med de som snurrar i motsatta riktningar. För att bestämma hur en specifik partikel, som en gluon eller kvarg, bidrar till spinn, forskare jämför antalet och typen av partiklar som är resultatet av olika konfigurationer av strålarna och målet.

En av de största utmaningarna är att samla in och analysera den otroliga mängden data. Mycket av arbetet fokuserar på att samla in rätt data och minimera fel eller fördomar.

"Det är där man blir en riktig fysiker, " sa Gagliardi. "Nittiofem procent av den vetenskapliga analystiden ägnas åt att identifiera, kvantifiera och begränsa dessa fördomar."

Förstå bidragen

Med hjälp av dessa verktyg, fysiker insåg att protonens struktur inte alls är enkel. Det är en ocean av skiftande kvarkar och gluoner. Dessutom, gluoner delas snabbt upp i kortlivade par av kvarkar och antikvarkar (kända som havskvarkar). Antikvarkar har liknande egenskaper som kvarkar, förutom den motsatta laddningen.

Ett antal experiment har undersökt möjliga källor till spinn.

Ett experiment vid RHIC fann att spinn av anti-kvarkar ofta inte är inriktade i samma riktning. Som ett resultat, det är osannolikt att de bidrar mycket till protonens spinn.

En annan studie behandlade gluonernas roll. Under 2014, forskare fann experimentella data som visade att gluoner bidrar avsevärt till protonspin. Faktiskt, de bidrar med cirka 20 till 30 procent av det.

Ett uppföljningsexperiment fokuserat på "tjusiga" gluoner med låg fart. Tidigare studier hade underskattat bidraget från dessa gluoner. Men kollisioner vid mycket högre energier fann att medan enstaka "smarriga" gluoner nästan inte bidrar med något, det stora antalet av dem resulterar i en hel del inflytande.

Det finns en viktig källa som forskare ännu inte har utforskat:orbital vinkelmomentum. Orbital vinkelmoment kommer från rörelsen av kvarkar och gluoner i förhållande till varandra. Medan teoretiker har utvecklat simuleringar som modellerar detta bidrag, forskare har inte haft utrustningen för att testa dem.

Det kommer att förändras med öppnandet av en större uppgradering till CEBAF. Fördubbling av acceleratorns energi och ger bättre upplösning kommer att tillåta forskare att studera orbital vinkelmomentum. Labbpersonalen förväntar sig att ha den uppgraderade acceleratorn fullt igång under nästa år.

"Det finns ingen annan stråle som den någon annanstans i världen, sa Robert McKeown, Jefferson Labs biträdande forskningschef.