来自相对论重离子对撞机(RHIC)的STAR实验的新数据为细节和复杂性增加了科学家一直在寻求解决的一个有趣的难题：构成质子的构建块如何促成其旋转。结果发表在“ 物理评论 ”杂志上，作为快速交流发表，第一次明确地揭示了反夸克的不同“味道”对质子的整体旋转产生不同的影响 - 并且与那些口味的相对丰度相反。
能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员在最新结果中发挥了重要作用。
“这一测量显示，质子自旋拼图的夸克片由几件组成，”来自阿比林基督教大学的STAR副发言人James Drachenberg说。“这不是一个无聊的谜题; 它没有平分。有一个更复杂的画面，这个结果让我们第一眼看到那张照片的样子。“
这不是科学家对质子旋转的看法第一次发生变化。20世纪80年代，欧洲核子研究中心(CERN)的一项实验表明，质子内的夸克和反夸克旋转的总和最多可占整体的四分之一，这是一场全面的旋转“ 危机 ”。旋。RHIC是美国能源部科学办公室，用于布鲁克海文国家实验室核物理研究的用户设施，部分建立，因此科学家们可以测量其他组成部分的贡献，包括反夸克和胶子(“粘合”在一起，或绑定，夸克和反夸克形成质子和中子等粒子。
反夸克只有短暂的存在。当胶子分裂时，它们形成夸克 - 反夸克对。
“我们将这些对称为夸克海，”Drachenberg说。“在任何一个瞬间，你都有夸克，胶子和夸克 - 反夸克对的海洋，它们以某种方式对质子的描述作出贡献。我们理解这些海夸克在某些方面所起的作用，但不是在旋转方面。“
探索海洋的味道
一个关键的考虑因素是海夸克的不同“味道”是否会导致不同的旋转。
夸克有六种口味 - 构成普通可见物质的质子和中子的上下变种，以及其他四种外来物种。分裂胶子可以产生夸克/反夸克对，下夸克/反夸克对 - 有时甚至是更奇特的夸克/反夸克对。
“没有理由认为胶子更喜欢分裂成这些口味中的一种，”伯克利实验室的STAR合作者Ernst Sichtermann说，他在海夸克研究中发挥了主导作用。“我们期望相同数量(上下对)，但这不是我们所看到的。”欧洲核子研究中心和美国能源部费米国家加速器实验室的测量结果一直发现反夸克比反夸克更多。
“因为有这种惊喜 - 这两种口味丰富的不对称 - 我们认为他们在旋转中的作用可能会出人意料，”Drachenberg说。实际上，RHIC的早期结果表明两种口味的旋转方式可能存在差异，这促使STAR团队进行更多实验。
张金龙作为伯克利实验室Sichtermann研究小组的博士后研究员，在这项工作的数据分析中发挥了主导作用，并在最近的国际核物理会议上首次公布了STAR合作的初步结果。张的分析得益于伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)使用Cori超级计算机。张现在在石溪大学。
“这同时也是一项美丽而具有挑战性的测量，”伯克利实验室核心理论项目负责人冯元说。
袁没有参加最新研究，但熟悉这项工作，他补充道，“在过去的三十年里，核子自旋物理学已经多次让我们感到惊讶。STAR测量海夸克极化的最新结果为这个难题增添了一个有趣的转折点。它肯定会刺激进一步的实验探索，特别是在计划中的电子 - 离子对撞机。我向伯克利实验室的同事们表示祝贺，他们为这项分析以及STAR合作做出了重要贡献。“
实现旋转目标
这一结果代表了20年RHIC旋转计划的数据积累。这是RHIC曙光初期激励旋转计划的两个最初支柱之一的最终结果。
对于所有这些实验，STAR分析了RHIC中极化质子碰撞的结果 - 碰撞，其中RHIC两束质子的整体自旋方向以特定方式排列。寻找当翻转一个偏振质子束的自旋方向时产生的某些粒子数量的差异可以用于跟踪各种成分的自旋对准 - 并因此跟踪它们对整体质子自旋的贡献。
对于海夸克测量，STAR物理学家计算电子和正电子 - 反电子版本的电子在各方面都是相同的，除了它们携带正电荷而不是负电荷。电子和正电子来自称为W玻色子的粒子的衰变，它们也有负的和正的变化，这取决于它们是否包含向上或向下的反夸克。
当碰撞质子的自旋方向被翻转时产生的电子数量的差异表明W-产生的差异并且用作测量向上反夸克的自旋对准的支柱。类似地，正电子的差异来自W +产生的差异，并且用于测量向下反夸克的自旋贡献的替代角色。
新探测器，增加了精度
最新数据包括STAR的端盖热量计捕获的信号，该热量计从每次碰撞中拾取靠近光束线向前和向后行进的粒子。随着这些新数据被添加到垂直于碰撞区出现的粒子数据，科学家们已经缩小了结果的不确定性。数据显示，第一次，反向夸克的旋转对整体质子自旋的贡献大于向下反夸克的旋转。
“这种'味道不对称'，正如科学家所说的那样，本身就令人惊讶，但更重要的是考虑到反夸克比反夸克还要多，”山东大学的徐庆华说，他是另一位主要科学家，负责监督其中一名研究生。分析对论文至关重要。徐也是伯克利实验室研究团队的前成员。
正如Sichtermann指出的那样，“如果你回到最初的质子旋转拼图，我们得知夸克和反夸克旋转的总和只占质子旋转的一小部分，接下来的问题是胶子的贡献是什么?夸克和胶子的轨道运动有什么贡献?但是，为什么夸克的贡献如此之小?是因为夸克和反夸克旋转贡献之间的取消?或者是因为不同夸克风味之间的差异?
“以前的RHIC结果表明，胶子在质子自旋中起着重要作用。这项新的分析清楚地表明，海洋也起着重要作用。它比复合材料分裂成你喜欢的任何风味要复杂得多 - 而且是深入海洋的一个很好的理由。
来自坦普尔大学的物理学家Bernd Surrow帮助开发了W boson方法并监督了两位研究生，他们的分析导致了新出版物的同意。“经过RHIC多年的实验工作，这一激动人心的新结果为质子内部的夸克和胶子的量子涨落提供了更深刻的理解。这些是吸引年轻人思想的基本问题 - 那些将继续扩大我们知识局限的学生。“
额外的STAR测量可以提供对异国夸克/反夸克对的自旋贡献的深入了解。此外，美国科学家希望在拟议的未来电子离子对撞机上深入研究旋转之谜 。这个粒子加速器将使用电子直接探测质子内部组件的自旋结构 - 并最终解决质子旋转拼图。
RHIC的研究主要由美国能源部科学办公室(NP)资助。用于前向和后向测量的STAR端盖量热计在很大程度上由美国国家科学基金会资助。它由STAR合作者Will Jacobs领导，在印第安纳大学建造。