Tänk dig att spela en omgång biljard, sätta en bit motsols snurr på cue-bollen och se den avböja till höger när den slår sin målboll. Med tur, eller skicklighet, målbollen sjunker ner i hörnfickan medan den högeravböjda köbollen knappt missar en repa på sidofickan. Tänk dig nu att din motsols snurrande köboll slår en bowlingboll istället, och avböjer ännu starkare - men till vänster - när den träffar den större massan.

Det liknar den chockerande situation som forskare befann sig i när de analyserade resultaten av snurrande protoner som träffade atomkärnor i olika storlekar vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) - ett amerikanskt Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility för kärnfysisk forskning vid DOE:s Brookhaven National Laboratory. Neutroner som produceras när en roterande proton kolliderar med en annan proton kommer ut med en liten höger-skev preferens. Men när den snurrande protonen kolliderar med en mycket större guldkärna, neutronernas riktningspreferens blir större och växlar till vänster.

"Det vi observerade var helt fantastiskt, "sa Brookhaven -fysikern Alexander Bazilevsky, en biträdande talesperson för PHENIX -samarbetet på RHIC, som rapporterar dessa resultat i en ny uppsats som just publicerades i Fysiska granskningsbrev . "Våra fynd kan innebära att mekanismerna som producerar partiklar längs den riktning som den snurrande protonen färdas kan vara mycket olika vid proton-protonkollisioner jämfört med proton-kärnkollisioner."

Att förstå olika partikelproduktionsmekanismer kan ha stora konsekvenser för att tolka andra partiklar med hög energi. inklusive växelverkan mellan kosmiska strålar med ultrahög energi och partiklar i jordens atmosfär, Sa Bazilevskij.

Upptäcker partiklarnas riktningsinställningar

Spinnfysiker observerade först tendensen hos fler neutroner att dyka upp något till höger i proton-proton-interaktioner 2001-2002, under RHIC:s första polariserade protonförsök. RHIC, som har varit i drift sedan 2000, är den enda kollideraren i världen med förmågan att exakt styra polarisationen, eller rotationsriktning, av kolliderande protoner, så detta var nytt territorium på den tiden. Det tog lite tid för teoretiska fysiker att förklara resultatet. Men teorin de utvecklade, publicerad 2011, gav forskare ingen anledning att förvänta sig en så stark riktningspreferens när protoner kolliderade med större kärnor, än mindre en fullständig vändning i riktning mot den preferensen.

"Vi förväntade oss något liknande proton-proton-effekten, eftersom vi inte kunde tänka oss några anledningar till att asymmetrin kan vara annorlunda, "sade Itaru Nakagawa, en fysiker från Japans RIKEN -laboratorium, som fungerade som PHENIX biträdande löpkoordinator för spinnmätningar 2015. "Kan du föreställa dig varför en bowlingboll skulle sprida en köboll i motsatt riktning jämfört med en målbiljardboll?"

2015 var året då RHIC först kolliderade polariserade protoner med guldkärnor med hög energi, de första sådana kollisionerna någonstans i världen. Minjung Kim-en doktorand vid Seoul National University och RIKEN-BNL Research Center vid Brookhaven Lab-märkte först neutronernas förvånansvärt dramatiska snedvridning-och det faktum att den riktade preferensen var motsatt den som ses vid proton-protonkollisioner. Bazilevsky arbetade med henne på dataanalys och detektorsimuleringar för att bekräfta effekten och se till att det inte var en artefakt från detektorn eller något att göra med justeringen av strålarna. Sedan, Nakagawa arbetade nära acceleratorfysikerna vid en rad experiment för att upprepa mätningarna under ännu mer exakt kontrollerade förhållanden.

"Detta var verkligen ett samarbete mellan experimenter och acceleratorfysiker som kunde ställa in en så stor och komplicerad acceleratoranläggning för att möta våra experimentella behov, "Sade Bazilevskij, uttrycker tacksamhet för dessa ansträngningar och beundran för RHIC:s mångsidighet och flexibilitet.

De nya mätningarna, som också inkluderade resultat från kollisioner av protoner med mellanstora aluminiumjoner, visade att effekten var verklig och att den förändrades med kärnans storlek.

"Så vi har tre uppsättningar data - kolliderar polariserade protoner med protoner, aluminium, och guld, "Sa Bazilevskij." Asymmetrin ökar gradvis från negativ i proton-proton-med fler neutroner spridda till höger-till nästan noll asymmetri i proton-aluminium, till en stor positiv asymmetri vid proton-guldkollisioner-med många fler spridningar till vänster. "

Partikelproduktionsmekanismer

För att förstå resultaten, forskarna var tvungna att titta närmare på processer och krafter som påverkar spridningspartiklarna.

"I partikelvärlden, saker är mycket mer komplicerade än det enkla fallet med (snurrande) biljardbollar som kolliderar, "Sa Bazilevskij." Det finns ett antal olika processer involverade i partikelspridning, och dessa processer själva kan interagera eller störa varandra. "

"Den uppmätta asymmetrin är summan av dessa interaktioner eller störningar av olika processer, sa Kim.

Nakagawa, som ledde den teoretiska tolkningen av experimentella data, utvecklat de olika mekanismerna.

Grundtanken är att i fallet med stora kärnor som guld, som har en mycket stor positiv elektrisk laddning, elektromagnetiska interaktioner spelar en mycket viktigare roll i partikelproduktion än de gör när två små, lika laddade protoner kolliderar.

"Vid kollisioner mellan protoner och protoner, effekten av elektrisk laddning är försumbart liten, "Sa Nakagawa. I så fall, asymmetrin drivs av interaktioner som styrs av den starka kärnkraften - som teorin som utvecklades redan 2011 korrekt beskrivs. Men som storleken, och därför debitera, av kärnan ökar, den elektromagnetiska kraften får en större roll och, vid en viss tidpunkt, vänder den riktade preferensen för neutronproduktion.

Forskarna kommer att fortsätta analysera 2015 års data på olika sätt för att se hur effekten beror på andra variabler, såsom partikelns momentum i olika riktningar. De kommer också att titta på hur preferenser för andra partiklar än neutroner påverkas, och arbeta med teoretiker för att bättre förstå deras resultat.

En annan idé skulle vara att utföra en ny serie experiment som kolliderar polariserade protoner med andra sorters kärnor som ännu inte är uppmätta.

"Om vi ​​observerar exakt den asymmetri vi förutsäger baserat på den elektromagnetiska interaktionen, då blir detta mycket starka bevis för att stödja vår hypotes, "Sa Nakagawa.

Förutom att ge ett unikt sätt att förstå olika partikelproduktionsmekanismer, detta nya resultat bidrar till den förvirrande historien om vad som orsakar tvärgående asymmetri i början - en öppen fråga för fysiker sedan 1970 -talet. Dessa och andra resultat från RHIC:s polariserade protonkollisioner kommer så småningom att bidra till att lösa denna fråga.