Imagine jugar un juego de billar, girar un poco en el sentido contrario a las agujas del reloj sobre la bola blanca y verla desviarse hacia la derecha mientras golpea su bola objetivo. Con suerte o habilidad, la bola objetivo se hunde en el bolsillo de la esquina mientrasla bola blanca desviada hacia la derecha pierde por poco un rasguño en el bolsillo lateral. Ahora imagine que su bola blanca giratoria en sentido antihorario golpea una bola de boliche y se desvía aún más fuerte, pero a la izquierda, cuando golpea la masa más grande.
Eso es similar a la impactante situación en la que se encontraron los científicos al analizar los resultados de los protones giratorios que chocan con núcleos atómicos de diferentes tamaños en el Relativistic Heavy Ion Collider RHIC, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía DOE de Estados Unidos para física nuclearinvestigación en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE. Los neutrones producidos cuando un protón giratorio choca con otro protón salen con una ligera preferencia de inclinación hacia la derecha. Pero cuando el protón giratorio choca con un núcleo de oro mucho más grande, la preferencia direccional de los neutrones se hace más grande y cambia ala izquierda.
"Lo que observamos fue totalmente sorprendente", dijo el físico de Brookhaven Alexander Bazilevsky, un portavoz adjunto de la colaboración PHENIX en RHIC, que informa estos resultados en un nuevo artículo recién publicado Cartas de revisión física . "Nuestros hallazgos pueden significar que los mecanismos que producen partículas a lo largo de la dirección en la que viaja el protón giratorio pueden ser muy diferentes en colisiones protón-protón en comparación con colisiones protón-núcleo".
Comprender los diferentes mecanismos de producción de partículas podría tener grandes implicaciones para interpretar otras colisiones de partículas de alta energía, incluidas las interacciones de los rayos cósmicos de ultra alta energía con partículas en la atmósfera de la Tierra, dijo Bazilevsky.
Detección de preferencias direccionales de partículas
Los físicos de Spin observaron por primera vez la tendencia de más neutrones a emerger ligeramente a la derecha en las interacciones protón-protón en 2001-2002, durante los primeros experimentos de protones polarizados de RHIC. RHIC, que ha estado operando desde 2000, es el único colisionador en el mundocon la capacidad de controlar con precisión la polarización, o la dirección del giro, de los protones en colisión, por lo que este era un territorio nuevo en ese momento. A los físicos teóricos les tomó algún tiempo explicar el resultado. Pero la teoría que desarrollaron, publicada en 2011, dio a los científicosno hay razón para esperar una preferencia direccional tan fuerte cuando los protones colisionan con núcleos más grandes, y mucho menos un giro completo en la dirección de esa preferencia.
"Anticipamos algo similar al efecto protón-protón, porque no podíamos pensar en ninguna razón por la cual la asimetría podría ser diferente", dijo Itaru Nakagawa, físico del laboratorio japonés RIKEN, que se desempeñó como coordinador adjunto de PHENIX paramediciones de giro en 2015. "¿Te imaginas por qué una bola de boliche dispersaría una bola blanca en la dirección opuesta en comparación con una bola de billar objetivo?"
2015 fue el año en que RHIC colisionó por primera vez con protones polarizados con núcleos de oro a alta energía, la primera colisión de este tipo en cualquier parte del mundo. Minjung Kim, un estudiante graduado en la Universidad Nacional de Seúl y el Centro de Investigación RIKEN-BNL en Brookhaven Lab,Primero notó el sesgo sorprendentemente dramático de los neutrones, y el hecho de que la preferencia direccional era opuesta a la observada en colisiones protón-protón. Bazilevsky trabajó con ella en análisis de datos y simulaciones de detectores para confirmar el efecto y asegurarse de que no fuera unartefacto del detector o algo relacionado con el ajuste de los haces. Luego, Nakagawa trabajó en estrecha colaboración con los físicos del acelerador en una serie de experimentos para repetir las mediciones en condiciones controladas aún más precisas.
"Este fue realmente un esfuerzo de colaboración entre los experimentadores y los físicos del acelerador que pudieron ajustar una instalación de acelerador tan enorme y complicada sobre la marcha para satisfacer nuestras necesidades experimentales", dijo Bazilevsky, expresando su gratitud por esos esfuerzos y admiración por la versatilidad y flexibilidad deRHIC.
Las nuevas mediciones, que también incluyeron resultados de colisiones de protones con iones de aluminio de tamaño intermedio, mostraron que el efecto fue real y que cambió con el tamaño del núcleo.
"Así que tenemos tres conjuntos de datos: colisión de protones polarizados con protones, aluminio y oro", dijo Bazilevsky. "La asimetría aumenta gradualmente de negativo en protón-protón, con más neutrones dispersándose a la derecha - acasi cero asimetría en protón-aluminio, a una gran asimetría positiva en colisiones de protón-oro, con muchas más dispersiones a la izquierda ".
mecanismos de producción de partículas
Para comprender los hallazgos, los científicos tuvieron que observar más de cerca los procesos y las fuerzas que afectan las partículas de dispersión.
"En el mundo de las partículas, las cosas son mucho más complicadas que el simple caso de colisión de bolas de billar girando", dijo Bazilevsky. "Hay varios procesos diferentes involucrados en la dispersión de partículas, y estos procesos pueden interactuar o interferir en sí mismosuno con el otro."
"La asimetría medida es la suma de estas interacciones o interferencias de diferentes procesos", dijo Kim.
Nakagawa, quien dirigió la interpretación teórica de los datos experimentales, elaboró los diferentes mecanismos.
La idea básica es que, en el caso de núcleos grandes como el oro, que tienen una carga eléctrica positiva muy grande, las interacciones electromagnéticas juegan un papel mucho más importante en la producción de partículas que en el caso de dos pequeños, igualmente cargadoslos protones chocan
"En las colisiones de protones con protones, el efecto de la carga eléctrica es insignificantemente pequeño", dijo Nakagawa. En ese caso, la asimetría es impulsada por interacciones gobernadas por la fuerza nuclear fuerte, como la teoría se desarrolló en 2011 correctamentedescrito, pero a medida que aumenta el tamaño y, por lo tanto, la carga del núcleo, la fuerza electromagnética adquiere un papel más importante y, en cierto punto, cambia la preferencia direccional por la producción de neutrones.
Los científicos continuarán analizando los datos de 2015 de diferentes maneras para ver cómo el efecto depende de otras variables, como el impulso de las partículas en varias direcciones. También verán cómo se ven afectadas las preferencias de partículas que no sean neutronesy trabajar con teóricos para comprender mejor sus resultados.
Otra idea sería ejecutar una nueva serie de experimentos que colisionen protones polarizados con otros tipos de núcleos aún no medidos.
"Si observamos exactamente la asimetría que predecimos en función de la interacción electromagnética, entonces esto se convierte en una evidencia muy fuerte para apoyar nuestra hipótesis", dijo Nakagawa.
Además de proporcionar una forma única de comprender los diferentes mecanismos de producción de partículas, este nuevo resultado se suma a la desconcertante historia de lo que causa la asimetría del espín transversal en primer lugar, una pregunta abierta para los físicos desde la década de 1970. Estos y otros resultadosde las colisiones de protones polarizados de RHIC eventualmente contribuirán a resolver esta pregunta.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :