En grupp forskare inklusive forskare från RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, University of Tokyo, Nagoya University, och Japan Atomic Energy Agency (JAEA) använde den spin-polariserade Relativistic Heavy Ion Collider vid Brookhaven National Laboratory i USA för att visa att, vid polariserade proton-protonkollisioner, neutrala pioner som emitteras i det mycket främre området av kollisioner – där direkta interaktioner som involverar kvarkar och gluoner inte är tillämpliga – har fortfarande en stor grad av vänster-höger-asymmetri. Detta fynd tyder på att den tidigare konsensusen om genereringen av partiklar i sådana kollisioner behöver omvärderas.

Att förstå mekanismen genom vilken partiklar skapas i kollisioner som involverar protoner har relevans för att förstå kosmiska strålduschar, där partiklar som kommer in i jordens atmosfär från yttre rymden skapar partikel-"duschar" som hjälper oss att lära oss om astronomiska fenomen som utspelar sig i universums extrema miljö. Dock, det är mycket svårt att studera hur partiklar skapas, eftersom kraften som binder protoner i kärnan och som binder kvarkar och gluoner till protoner – den starka interaktionen eller kärnkraften – är mycket stark jämfört med andra krafter som den elektromagnetiska kraften och gravitationen. En väg för att utforska dessa viktiga utmaningar har involverat ett attribut av protoner som kallas spin, vilket kan förstås analogt med hur en leksaksöverdel roterar runt sin axel. Protonernas spinn kan artificiellt justeras, i en process som kallas polarisering.

På 1970-talet acceleratorexperiment vid Argonne National Laboratory i USA avslöjade att pionerna som genererades mot fronten av kollisioner som involverade polariserade protoner hade stor vänster-höger-asymmetri. Energin hos de polariserade protonerna som användes i dessa experiment var cirka 10 miljarder elektronvolt (GeV). Experiment med högre energier – inklusive ett vid 200 GeV med den polariserade protonstrålen vid Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) i USA och vid RHIC vid Brookhaven National Laboratory (BNL) i USA, där två strålar med 100 GeV-protoner som rörde sig i motsatta riktningar kolliderade - visade att vänster-höger-asymmetrin kvarstod även med högenergipolariserade protoner. En konsensus uppstod om att denna asymmetri orsakades av direkta interaktioner mellan kvarkar och gluoner i protonerna, baserad på en teori som kallas perturbativ kvantkromodynamik (QCD).

Dock, med ytterligare experiment på RHIC, upptäckter började dyka upp som utmanade konsensus. Enligt Yuji Goto, en av författarna till det aktuella verket, "På RHICs energi, kvarkar och gluoner är utspridda, och olika partiklar genereras i form av en stråle. När vänster-höger-asymmetrin hos strålen som genererades framför kollisionspositionen vid RHIC undersöktes, det visade sig att, mot förväntningarna, den totala strålen och pionerna i strålen visade inte en vänster-höger-asymmetri. Detta antydde att orsaken till vänster-höger-asymmetrin inte var den direkta spridningen av kvarkar och gluoner."

För att undersöka ytterligare, forskarna genomförde experiment, publicerad i Fysiska granskningsbrev , där de använde en elektromagnetisk kalorimeterdetektor som tidigare använts i Large Hadron Collider vid CERN – känd som LHCf-experimentet där och RHICf-experimentet vid RHIC – för att ta en detaljerad titt på gammastrålningen som genereras av pionförfall i den mycket främre delen av kollision. De hittade, dock, att vänster-höger-asymmetrin i neutrala pioner kvarstår även i det mycket smala området.

Goto säger, "Vi fann att asymmetrin fortsätter att existera i en mycket snäv vinkel från precis framför kollisionen, och i själva verket ökar när vinkeln rör sig bort från noll. Detta resultat kräver en omprövning av tidigare teoretiska tolkningar. Den lilla främre vinkeln på asymmetrin motsvarar energiområdet där protonerna orsakar det exciterade tillståndet, och bidraget från andra mekanismer – diffraktion och resonans – kan ge en ledtråd till mysteriet."

Enligt Minho Kim, en International Program Associate vid RIKEN och doktorand vid Korea University, vem var den första författaren till experimentet, "Det var fantastiskt att kunna arbeta med den nya detektorn, och vi planerar att fortsätta vårt arbete för att förstå mekanismen som genererar vänster-höger asymmetri. Detta kommer säkerligen att ge oss insikter i kosmiska strålskurar och därmed hjälpa oss att förstå fenomen som äger rum i universums extrema miljö."