Zbadaj, w jaki sposób gluony pomagają protonom uzyskać spin

Fizykańska analiza zderzeń protonów rozwiązuje zagadkę, skąd protony biorą swoją wewnętrzną właściwość zwaną spinem.¹.

Wraz z neutronami protony znajdują się wewnątrz jądra atomu. Podobnie jak wiele cząstek subatomowych, mają one spin wewnętrzny, który może wskazywać jeden z dwóch przeciwnych kierunków.

Od lat sześćdziesiątych fizycy wiedzą, że protony składają się z cząstek elementarnych zwanych kwarkami i gluonami, z których każda ma swój własny spin.

„Początkowo zakładano, że spin protonu wynika ze spinu jego kwarków” – mówi Yasuyuki Akiba, fizyk cząstek w RIKEN Brookhaven Research Center (RBRC) i rzecznik eksperymentu Phoenix w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC). W Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku, USA. Jednak eksperymenty przeprowadzone w latach 80. XX wieku wykazały, że kwarki odpowiadają jedynie za około 30% spinu protonu.

„Kluczowe pytanie brzmiało zatem: skąd pochodzi pozostała część spinu protonu?” Mówi Akiba. Fizycy postanowili znaleźć źródło brakujących 70% spinu protonu.

Kwarki wewnątrz protonu są utrzymywane razem przez bezmasowe cząstki zwane gluonami. Około siedem lat temu zespoły pracujące nad projektem PHENIX i w drugim eksperymencie RHIC o nazwie STAR wykazały, że spin gluonu przyczynia się do spinu protonu. Nie byli jednak w stanie określić, czy spiny gluonów są zgodne ze spinem zawierającego je protonu.

Rysunek 1: Wewnętrzna struktura protonu (po lewej) w atomie litu. Proton składa się z trzech kwarków, ale jego spin nie odpowiada sumie liczby spinów kwarków. © Carol i Mike Werner / Biblioteka obrazów naukowych

W tym miejscu wchodzi w grę nowa analiza. Podczas zderzeń protonów gluon może zostać przekształcony w foton, czyli cząstkę światła. Fotony powstające w tym procesie nazywane są fotonami bezpośrednimi. Jest to tak rzadki proces, że do jego uchwycenia detektor PHENIX potrzebowałby 25 000 detektorów mierzących fotony. „To przypomina złożone oko owada” – komentuje Akiba.

Fizycy poszukiwali bezpośredniej produkcji fotonów w dwóch typach zderzeń protonów: jednym, podczas którego zderzające się protony obracały się prostopadle, i drugim, podczas którego zderzające się protony obracały się w przeciwnych kierunkach.

Zaobserwowali niewielki wzrost bezpośredniej produkcji fotonów, gdy pierwotne spiny protonów były skierowane w przeciwne strony. Oznacza to, że spiny gluonów są skierowane w tym samym kierunku, co spin pierwotnego protonu, umożliwiając im udział w spinie protonu, zgodnie z oczekiwaniami.

Ale tajemnica pozostaje. Obliczenia pokazują, że spiny gluonów dodają tylko 20-30% do spinu protonu, zatem nadal brakuje jakiegoś składnika. Może to wynikać z ruchu gluonów i kwarków.

„Obecnie budują nowy akcelerator, zwany Zderzaczem Elektronowo-Jonowym Brookhaven, który może dostarczyć odpowiedzi” – mówi Akiba.