海夸克驚奇揭示了質子旋轉拼圖中更深的復雜性

2019-06-12 20:49:41

來自相對論重離子對撞機(RHIC)的STAR實驗的新數據為細節和復雜性增加了科學家一直在尋求解決的一個有趣的難題:構成質子的構建塊如何促成其旋轉。結果發表在“ 物理評論 ”雜志上,作為快速交流發表,第一次明確地揭示了反夸克的不同“味道”對質子的整體旋轉產生不同的影響 - 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驗室(伯克利實驗室)的研究人員在最新結果中發揮了重要作用。

“這一測量顯示,質子自旋拼圖的夸克片由幾件組成,”來自阿比林基督教大學的STAR副發言人James Drachenberg說。“這不是一個無聊的謎題; 它沒有平分。有一個更復雜的畫面,這個結果讓我們第一眼看到那張照片的樣子。“

這不是科學家對質子旋轉的看法第一次發生變化。20世紀80年代,歐洲核子研究中心(CERN)的一項實驗表明,質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,這是一場全面的旋轉“ 危機 ”。旋。RHIC是美國能源部科學辦公室,用于布魯克海文國家實驗室核物理研究的用戶設施,部分建立,因此科學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子和中子等粒子。

反夸克只有短暫的存在。當膠子分裂時,它們形成夸克 - 反夸克對。

“我們將這些對稱為夸克海,”Drachenberg說。“在任何一個瞬間,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子的描述作出貢獻。我們理解這些海夸克在某些方面所起的作用,但不是在旋轉方面。“

探索海洋的味道

一個關鍵的考慮因素是海夸克的不同“味道”是否會導致不同的旋轉。

夸克有六種口味 - 構成普通可見物質的質子和中子的上下變種,以及其他四種外來物種。分裂膠子可以產生夸克/反夸克對,下夸克/反夸克對 - 有時甚至是更奇特的夸克/反夸克對。

“沒有理由認為膠子更喜歡分裂成這些口味中的一種,”伯克利實驗室的STAR合作者Ernst Sichtermann說,他在海夸克研究中發揮了主導作用。“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驗室的測量結果一直發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 - 我們認為他們在旋轉中的作用可能會出人意料,”Drachenberg說。實際上,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團隊進行更多實驗。

張金龍作為伯克利實驗室Sichtermann研究小組的博士后研究員,在這項工作的數據分析中發揮了主導作用,并在最近的國際核物理會議上首次公布了STAR合作的初步結果。張的分析得益于伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心(NERSC)使用Cori超級計算機。張現在在石溪大學。

“這同時也是一項美麗而具有挑戰性的測量,”伯克利實驗室核心理論項目負責人馮元說。

袁沒有參加最新研究,但熟悉這項工作,他補充道,“在過去的三十年里,核子自旋物理學已經多次讓我們感到驚訝。STAR測量海夸克極化的最新結果為這個難題增添了一個有趣的轉折點。它肯定會刺激進一步的實驗探索,特別是在計劃中的電子 - 離子對撞機。我向伯克利實驗室的同事們表示祝賀,他們為這項分析以及STAR合作做出了重要貢獻。“

實現旋轉目標

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最初支柱之一的最終結果。

對于所有這些實驗,STAR分析了RHIC中極化質子碰撞的結果 - 碰撞,其中RHIC兩束質子的整體自旋方向以特定方式排列。尋找當翻轉一個偏振質子束的自旋方向時產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子自旋的貢獻。

對于海夸克測量,STAR物理學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。電子和正電子來自稱為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。

當碰撞質子的自旋方向被翻轉時產生的電子數量的差異表明W-產生的差異并且用作測量向上反夸克的自旋對準的支柱。類似地,正電子的差異來自W +產生的差異,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向前和向后行進的粒子。隨著這些新數據被添加到垂直于碰撞區出現的粒子數據,科學家們已經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子自旋的貢獻大于向下反夸克的旋轉。

“這種'味道不對稱',正如科學家所說的那樣,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,”山東大學的徐慶華說,他是另一位主要科學家,負責監督其中一名研究生。分析對論文至關重要。徐也是伯克利實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子旋轉拼圖,我們得知夸克和反夸克旋轉的總和只占質子旋轉的一小部分,接下來的問題是膠子的貢獻是什么?夸克和膠子的軌道運動有什么貢獻?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味之間的差異?

“以前的RHIC結果表明,膠子在質子自旋中起著重要作用。這項新的分析清楚地表明,海洋也起著重要作用。它比復合材料分裂成你喜歡的任何風味要復雜得多 - 而且是深入海洋的一個很好的理由。

來自坦普爾大學的物理學家Bernd Surrow幫助開發了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。“經過RHIC多年的實驗工作,這一激動人心的新結果為質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題 - 那些將繼續擴大我們知識局限的學生。“

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,美國科學家希望在擬議的未來電子離子對撞機上深入研究旋轉之謎 。這個粒子加速器將使用電子直接探測質子內部組件的自旋結構 - 并最終解決質子旋轉拼圖。

RHIC的研究主要由美國能源部科學辦公室(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基金會資助。它由STAR合作者Will Jacobs領導,在印第安納大學建造。