Это похоже на шокирующую ситуацию, в которой оказались ученые, анализируя результаты вращения протонов, ударяющих по атомным ядрам разного размера на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) — Научно-исследовательском центре Министерства энергетики США (DOE), который занимается исследованиями ядерной физики. Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики США. Нейтроны, образующиеся при столкновении вращающегося протона с другим протоном, имеют небольшой наклон вправо. Но когда вращающийся протон сталкивается с гораздо большим ядром золота, предпочтение нейтронов по направлению становится больше и переключается влево.
«То, что мы наблюдали, было совершенно потрясающим», — сказал физик из Брукхейвена Александр Базилевский, заместитель представителя сотрудничества PHENIX в RHIC, который сообщает об этих результатах в новой статье, только что опубликованной в Physical Review Letters. «Наши результаты могут означать, что механизмы, производящие частицы вдоль направления, в котором движется вращающийся протон, могут сильно отличаться в протон-протонных столкновениях по сравнению со столкновениями протон-ядро».По словам Базилевского, понимание различных механизмов образования частиц может иметь большое значение для интерпретации других столкновений частиц высоких энергий, включая взаимодействие космических лучей сверхвысоких энергий с частицами атмосферы Земли.Определение предпочтений по направлению частиц
Физики спиновой физики впервые наблюдали тенденцию появления большего количества нейтронов немного вправо в протон-протонных взаимодействиях в 2001-2002 годах, во время первых экспериментов с поляризованными протонами на RHIC. RHIC, работающий с 2000 года, является единственным коллайдером в мире, способным точно контролировать поляризацию или направление вращения сталкивающихся протонов, так что в то время это была новая территория.
Физикам-теоретикам потребовалось время, чтобы объяснить результат. Но разработанная ими теория, опубликованная в 2011 году, не дала ученым никаких оснований ожидать такого сильного предпочтения по направлению при столкновении протонов с более крупными ядрами, не говоря уже о полном повороте в сторону этого предпочтения.
«Мы ожидали чего-то похожего на протон-протонный эффект, потому что мы не могли придумать никаких причин, по которым асимметрия могла быть другой», — сказал Итару Накагава, физик из японской лаборатории RIKEN, который был заместителем координатора запуска PHENIX по измерениям спина. в 2015 году. «Можете ли вы представить, почему шар для боулинга разбрасывает биток в противоположном направлении по сравнению с бильярдным шаром-мишенью?»2015 был годом, когда RHIC впервые столкнулся поляризованными протонами с ядрами золота при высоких энергиях, что стало первым таким столкновением в мире. Минджунг Ким — аспирант Сеульского национального университета и исследовательского центра RIKEN-BNL в Брукхейвенской лаборатории — первым заметил удивительно резкий перекос нейтронов и тот факт, что предпочтение по направлению было противоположным тому, которое наблюдается в протон-протонной системе. столкновения.
Базилевский работал с ней над анализом данных и моделированием детекторов, чтобы подтвердить эффект и убедиться, что это не артефакт детектора или что-то вроде настройки лучей. Затем Накагава работал в тесном сотрудничестве с физиками-ускорителями над серией экспериментов, чтобы повторить измерения в еще более точно контролируемых условиях.
«Это было действительно совместное усилие экспериментаторов и физиков-ускорителей, которые могли на лету настроить такой огромный и сложный ускоритель для удовлетворения наших экспериментальных потребностей», — сказал Базилевский, выразив благодарность за эти усилия и восхищение универсальностью и гибкостью RHIC.Новые измерения, которые также включали результаты столкновений протонов с ионами алюминия среднего размера, показали, что эффект был реальным и что он изменялся вместе с размером ядра.
«Итак, у нас есть три набора данных — столкновение поляризованных протонов с протонами, алюминия и золота», — сказал Базилевский. "Асимметрия постепенно увеличивается от отрицательной в протон-протонной — с большим количеством рассеяния нейтронов вправо — до почти нулевой асимметрии в протон-алюминии, до большой положительной асимметрии в столкновениях протон-золото — с гораздо большим количеством рассеяния влево. . "Механизмы образования частицЧтобы понять результаты, ученым пришлось более внимательно изучить процессы и силы, влияющие на рассеивающие частицы.«В мире частиц все намного сложнее, чем простой случай столкновения (вращающихся) бильярдных шаров», — сказал Базилевский. «В рассеянии частиц участвует ряд различных процессов, и сами эти процессы могут взаимодействовать или мешать друг другу».«Измеренная асимметрия — это сумма этих взаимодействий или интерференции различных процессов», — сказал Ким.
Накагава, который руководил теоретической интерпретацией экспериментальных данных, подробно остановился на различных механизмах.Основная идея заключается в том, что в случае больших ядер, таких как золото, которые имеют очень большой положительный электрический заряд, электромагнитные взаимодействия играют гораздо более важную роль в производстве частиц, чем в случае, когда сталкиваются два небольших одинаково заряженных протона. .«При столкновении протонов с протонами влияние электрического заряда ничтожно мало», — сказал Накагава. В этом случае асимметрия обусловлена взаимодействиями, управляемыми сильным ядерным взаимодействием — как правильно описала теория, разработанная еще в 2011 году.
Но по мере того, как размер и, следовательно, заряд ядра увеличивается, электромагнитная сила играет все большую роль и в определенный момент меняет направление предпочтения для образования нейтронов.Ученые продолжат анализировать данные 2015 года по-разному, чтобы увидеть, как эффект зависит от других переменных, таких как импульс частиц в разных направлениях. Они также рассмотрят, как влияют на предпочтения других частиц, помимо нейтронов, и поработают с теоретиками, чтобы лучше понять их результаты.Другая идея заключалась бы в проведении новой серии экспериментов по столкновению поляризованных протонов с другими типами ядер, которые еще не были измерены.
«Если мы наблюдаем именно ту асимметрию, которую предсказываем на основе электромагнитного взаимодействия, то это становится очень веским доказательством в поддержку нашей гипотезы», — сказал Накагава.Этот новый результат не только предоставляет уникальный способ понять различные механизмы образования частиц, но и дополняет загадочную историю о том, что в первую очередь вызывает асимметрию поперечного спина — открытый вопрос для физиков с 1970-х годов.
Эти и другие результаты столкновений поляризованных протонов на RHIC в конечном итоге будут способствовать решению этого вопроса.