Nya data från STAR -experimentet vid Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) tillför detaljer - och komplexitet - till ett spännande pussel som forskare har försökt lösa:hur byggstenarna som utgör en proton bidrar till dess snurr. Resultaten, precis publicerad som en snabb kommunikation i tidskriften Fysisk granskning D , avslöjar definitivt för första gången att olika "smaker" av antikviteter bidrar annorlunda till protonens totala snurr - och på ett sätt som är motsatt dessa smakernas relativa överflöd.

"Denna mätning visar att kvarkbiten i protonspinnpusslet är gjord av flera bitar, "sa James Drachenberg, en biträdande talesperson för STAR från Abilene Christian University. "Det är inte ett tråkigt pussel; det är inte jämnt uppdelat. Det finns en mer komplicerad bild och detta resultat ger oss den första glimten av hur den bilden ser ut."

Det är inte första gången som forskares syn på protonspinn har förändrats. Det var en fullspinnad "kris" på 1980-talet när ett experiment på European Center for Nuclear Research (CERN) avslöjade att summan av kvark- och antikvarkssnurr i en proton kan stå för, i bästa fall, en fjärdedel av den totala snurrningen. RHIC, en amerikansk Department of Energy Office of Science användaranläggning för kärnfysisk forskning vid Brookhaven National Laboratory, byggdes delvis så att forskare kunde mäta bidragen från andra komponenter, inklusive antikvarter och gluoner (som "lims" ihop, eller binda, kvarkerna och antikvarkerna för att bilda partiklar som protoner och neutroner).

Antiquarks har bara en flyktig existens. De bildas som kvark-antikvark-par när gluoner delas.

"Vi kallar dessa par för kvarkhavet, " sade Drachenberg. "Vid varje givet ögonblick, du har kvarker, gluoner, och ett hav av kvark-antikvarpar som på något sätt bidrar till beskrivningen av protonen. Vi förstår vilken roll dessa havskvarkar spelar i vissa avseenden, men inte med avseende på snurr. "

Utforska smak i havet

En viktig faktor är om olika "smaker" av havskvarkar bidrar till att snurra olika.

Kvarkar finns i sex smaker - upp och ner -sorterna som utgör protoner och neutroner av vanlig synlig materia, och fyra andra mer exotiska arter. Splittande gluoner kan producera kvark/antikvark -par, dunkvark/antikvark -par - och ibland ännu mer exotiska kvark/antikvark -par.

"Det finns ingen anledning till att en gluon föredrar att dela upp sig i den ena eller den andra av dessa smaker, "sade Ernst Sichtermann, en STAR-samarbetspartner från DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) som spelade en huvudroll i havskvarkforskningen. "Vi förväntar oss lika många [upp och ner par], men det är inte vad vi ser." Mätningar vid CERN och DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory har genomgående hittat fler dunantikvarker än uppantikvarker.

"Eftersom det finns denna överraskning - en asymmetri i överflöd av dessa två smaker - trodde vi att det också kunde finnas en överraskning i deras roll i spinn, Sa Drachenberg. tidigare resultat från RHIC indikerade att det kan vara en skillnad i hur de två smakerna bidrar till spinn, uppmuntra STAR -teamet att göra fler experiment.

Levererar på snurrmål

Detta resultat representerar ackumulering av data från det 20-åriga RHIC-spinnprogrammet. Det är det slutliga resultatet från en av de två första pelarna som motiverar spinnprogrammet i början av RHIC.

För alla dessa experiment, STAR analyserade resultaten av polariserade protonkollisioner vid RHIC - kollisioner där den totala centrifugeringsriktningen för RHICs två strålar av protoner var inriktade på särskilda sätt. Letar du efter skillnader i antalet vissa partiklar som produceras när centrifugeringsriktningen för en polariserad protonstråle vänds kan du använda för att spåra centrifugering av olika beståndsdelar - och därför deras bidrag till den totala protonspinnet.

För havskvarkmätningar, STAR -fysiker räknade elektroner och positroner - antimaterieversioner av elektroner som är desamma på alla sätt förutom att de bär en positiv snarare än en negativ elektrisk laddning. Elektronerna och positronerna kommer från sönderfallet av partiklar som kallas W bosoner, som också finns i negativa och positiva sorter, beroende på om de innehåller en upp eller ner antikvark. Skillnaden i antalet elektroner som produceras när den kolliderande protonens rotationsriktning vänds indikerar en skillnad i W-produktion och fungerar som ett stativ för att mäta centrifugeringen av de antikvarkerna uppåt. Liknande, skillnaden i positroner kommer från en skillnad i W+ -produktion och tjänar stand-in-rollen för att mäta centrifugeringsbidraget från dunantikvaror.

Ny detektor, ökad precision

De senaste uppgifterna inkluderar signaler som fångats upp av STAR:s slutkalorimeter, som plockar upp partiklar som färdas nära strållinjen framåt och bakåt från varje kollision. Med dessa nya data till data från partiklar som vinkelrätt mot kollisionszonen har forskarna minskat osäkerheten i sina resultat. Uppgifterna visar definitivt, för första gången, att spinn av upp-antikvarker ger ett större bidrag till det totala protonsnurrandet än spinn av dunantikvarker.

"Denna 'smakasymmetri, som forskare kallar det, är förvånande i sig, men ännu mer med tanke på att det finns fler dunantikvaror än uppantikvarter, "sade Qinghua Xu från Shandong University, en annan forskare som övervakade en av de doktorander vars analys var avgörande för uppsatsen.

Som Sichtermann noterade, "Om du går tillbaka till det ursprungliga protonspinnpusslet, där vi fick veta att summan av kvark- och antikvarkssnurr står för bara en bråkdel av protonspinn, nästa frågor är vad är gluonbidraget? Vad är bidraget från kvarkarnas och gluonernas omloppsrörelse? Men också, varför är kvarkbidraget så litet? Är det på grund av en avbokning mellan kvark- och antikvarkspinnbidrag? Eller beror det på skillnader mellan olika kvarksmaker?

"Tidigare RHIC -resultat har visat att gluoner spelar en viktig roll vid protonspinn. Denna nya analys ger en tydlig indikation på att havet också spelar en betydande roll. Det är mycket mer komplicerat än att bara gluoner delas upp i vilken smak du vill - och en mycket god anledning att titta djupare i havet. "

Bernd Surrow, en fysiker från Temple University som hjälpte till att utveckla W boson-metoden och handleda två av doktoranderna vars analyser ledde till den nya publikationen, instämmer. "Efter flera års experimentellt arbete på RHIC, detta spännande nya resultat ger en väsentligt djupare förståelse av kvantfluktuationerna av kvarker och gluoner inuti protonen. Det här är den typ av grundläggande frågor som lockar unga sinnen - de studenter som kommer att fortsätta att utöka gränserna för vår kunskap. "

Ytterligare STAR -mätningar kan ge insikt i spinnbidragen för exotiska kvark/antikvark -par. Dessutom, Amerikanska forskare hoppas kunna fördjupa sig i spinnmysteriet vid en föreslagen framtida Electron-Ion Collider. Denna partikelaccelerator skulle använda elektroner för att direkt sondera spinnstrukturen hos de inre komponenterna i en proton - och skulle slutligen lösa protonspinnpusslet.