來(lái)自相對論重離子對撞機(RHIC)的STAR實(shí)驗的新數據為細節和復雜性增加了科學(xué)家一直在尋求解決的一個(gè)有趣的難題：構成質(zhì)子的構建塊如何促成其旋轉。結果發(fā)表在“ 物理評論 ”雜志上，作為快速交流發(fā)表，第一次明確地揭示了反夸克的不同“味道”對質(zhì)子的整體旋轉產(chǎn)生不同的影響 - 并且與那些口味的相對豐度相反。
能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室(伯克利實(shí)驗室)的研究人員在最新結果中發(fā)揮了重要作用。
“這一測量顯示，質(zhì)子自旋拼圖的夸克片由幾件組成，”來(lái)自阿比林基督教大學(xué)的STAR副發(fā)言人James Drachenberg說(shuō)。“這不是一個(gè)無(wú)聊的謎題; 它沒(méi)有平分。有一個(gè)更復雜的畫(huà)面，這個(gè)結果讓我們第一眼看到那張照片的樣子。“
這不是科學(xué)家對質(zhì)子旋轉的看法第一次發(fā)生變化。20世紀80年代，歐洲核子研究中心(CERN)的一項實(shí)驗表明，質(zhì)子內的夸克和反夸克旋轉的總和最多可占整體的四分之一，這是一場(chǎng)全面的旋轉“ 危機 ”。旋。RHIC是美國能源部科學(xué)辦公室，用于布魯克海文國家實(shí)驗室核物理研究的用戶(hù)設施，部分建立，因此科學(xué)家們可以測量其他組成部分的貢獻，包括反夸克和膠子(“粘合”在一起，或綁定，夸克和反夸克形成質(zhì)子和中子等粒子。
反夸克只有短暫的存在。當膠子分裂時(shí)，它們形成夸克 - 反夸克對。
“我們將這些對稱(chēng)為夸克海，”Drachenberg說(shuō)。“在任何一個(gè)瞬間，你都有夸克，膠子和夸克 - 反夸克對的海洋，它們以某種方式對質(zhì)子的描述作出貢獻。我們理解這些?？淇嗽谀承┓矫嫠鸬淖饔?，但不是在旋轉方面。“
探索海洋的味道
一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素是?？淇说牟煌?ldquo;味道”是否會(huì )導致不同的旋轉。
夸克有六種口味 - 構成普通可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)子和中子的上下變種，以及其他四種外來(lái)物種。分裂膠子可以產(chǎn)生夸克/反夸克對，下夸克/反夸克對 - 有時(shí)甚至是更奇特的夸克/反夸克對。
“沒(méi)有理由認為膠子更喜歡分裂成這些口味中的一種，”伯克利實(shí)驗室的STAR合作者Ernst Sichtermann說(shuō)，他在?？淇搜芯恐邪l(fā)揮了主導作用。“我們期望相同數量(上下對)，但這不是我們所看到的。”歐洲核子研究中心和美國能源部費米國家加速器實(shí)驗室的測量結果一直發(fā)現反夸克比反夸克更多。
“因為有這種驚喜 - 這兩種口味豐富的不對稱(chēng) - 我們認為他們在旋轉中的作用可能會(huì )出人意料，”Drachenberg說(shuō)。實(shí)際上，RHIC的早期結果表明兩種口味的旋轉方式可能存在差異，這促使STAR團隊進(jìn)行更多實(shí)驗。
張金龍作為伯克利實(shí)驗室Sichtermann研究小組的博士后研究員，在這項工作的數據分析中發(fā)揮了主導作用，并在最近的國際核物理會(huì )議上首次公布了STAR合作的初步結果。張的分析得益于伯克利實(shí)驗室國家能源研究科學(xué)計算中心(NERSC)使用Cori超級計算機。張現在在石溪大學(xué)。
“這同時(shí)也是一項美麗而具有挑戰性的測量，”伯克利實(shí)驗室核心理論項目負責人馮元說(shuō)。
袁沒(méi)有參加最新研究，但熟悉這項工作，他補充道，“在過(guò)去的三十年里，核子自旋物理學(xué)已經(jīng)多次讓我們感到驚訝。STAR測量?？淇藰O化的最新結果為這個(gè)難題增添了一個(gè)有趣的轉折點(diǎn)。它肯定會(huì )刺激進(jìn)一步的實(shí)驗探索，特別是在計劃中的電子 - 離子對撞機。我向伯克利實(shí)驗室的同事們表示祝賀，他們?yōu)檫@項分析以及STAR合作做出了重要貢獻。“
實(shí)現旋轉目標
這一結果代表了20年RHIC旋轉計劃的數據積累。這是RHIC曙光初期激勵旋轉計劃的兩個(gè)最初支柱之一的最終結果。
對于所有這些實(shí)驗，STAR分析了RHIC中極化質(zhì)子碰撞的結果 - 碰撞，其中RHIC兩束質(zhì)子的整體自旋方向以特定方式排列。尋找當翻轉一個(gè)偏振質(zhì)子束的自旋方向時(shí)產(chǎn)生的某些粒子數量的差異可以用于跟蹤各種成分的自旋對準 - 并因此跟蹤它們對整體質(zhì)子自旋的貢獻。
對于?？淇藴y量，STAR物理學(xué)家計算電子和正電子 - 反電子版本的電子在各方面都是相同的，除了它們攜帶正電荷而不是負電荷。電子和正電子來(lái)自稱(chēng)為W玻色子的粒子的衰變，它們也有負的和正的變化，這取決于它們是否包含向上或向下的反夸克。
當碰撞質(zhì)子的自旋方向被翻轉時(shí)產(chǎn)生的電子數量的差異表明W-產(chǎn)生的差異并且用作測量向上反夸克的自旋對準的支柱。類(lèi)似地，正電子的差異來(lái)自W +產(chǎn)生的差異，并且用于測量向下反夸克的自旋貢獻的替代角色。
新探測器，增加了精度
最新數據包括STAR的端蓋熱量計捕獲的信號，該熱量計從每次碰撞中拾取靠近光束線(xiàn)向前和向后行進(jìn)的粒子。隨著(zhù)這些新數據被添加到垂直于碰撞區出現的粒子數據，科學(xué)家們已經(jīng)縮小了結果的不確定性。數據顯示，第一次，反向夸克的旋轉對整體質(zhì)子自旋的貢獻大于向下反夸克的旋轉。
“這種'味道不對稱(chēng)'，正如科學(xué)家所說(shuō)的那樣，本身就令人驚訝，但更重要的是考慮到反夸克比反夸克還要多，”山東大學(xué)的徐慶華說(shuō)，他是另一位主要科學(xué)家，負責監督其中一名研究生。分析對論文至關(guān)重要。徐也是伯克利實(shí)驗室研究團隊的前成員。
正如Sichtermann指出的那樣，“如果你回到最初的質(zhì)子旋轉拼圖，我們得知夸克和反夸克旋轉的總和只占質(zhì)子旋轉的一小部分，接下來(lái)的問(wèn)題是膠子的貢獻是什么?夸克和膠子的軌道運動(dòng)有什么貢獻?但是，為什么夸克的貢獻如此之小?是因為夸克和反夸克旋轉貢獻之間的取消?或者是因為不同夸克風(fēng)味之間的差異?
“以前的RHIC結果表明，膠子在質(zhì)子自旋中起著(zhù)重要作用。這項新的分析清楚地表明，海洋也起著(zhù)重要作用。它比復合材料分裂成你喜歡的任何風(fēng)味要復雜得多 - 而且是深入海洋的一個(gè)很好的理由。
來(lái)自坦普爾大學(xué)的物理學(xué)家Bernd Surrow幫助開(kāi)發(fā)了W boson方法并監督了兩位研究生，他們的分析導致了新出版物的同意。“經(jīng)過(guò)RHIC多年的實(shí)驗工作，這一激動(dòng)人心的新結果為質(zhì)子內部的夸克和膠子的量子漲落提供了更深刻的理解。這些是吸引年輕人思想的基本問(wèn)題 - 那些將繼續擴大我們知識局限的學(xué)生。“
額外的STAR測量可以提供對異國夸克/反夸克對的自旋貢獻的深入了解。此外，美國科學(xué)家希望在擬議的未來(lái)電子離子對撞機上深入研究旋轉之謎 。這個(gè)粒子加速器將使用電子直接探測質(zhì)子內部組件的自旋結構 - 并最終解決質(zhì)子旋轉拼圖。
RHIC的研究主要由美國能源部科學(xué)辦公室(NP)資助。用于前向和后向測量的STAR端蓋量熱計在很大程度上由美國國家科學(xué)基金會(huì )資助。它由STAR合作者Will Jacobs領(lǐng)導，在印第安納大學(xué)建造。