Исследование, описанное в статье, которая будет опубликована в качестве предложения редактора в Physical Review Letters, возможно только в RHIC, коллайдере круговых частиц протяженностью 2,4 мили, который работает как Центр науки Министерства энергетики США (DOE). физические исследования в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. RHIC уникален тем, что использует специализированные магниты для стратегического выравнивания спинов миллиардов крошечных протонов, чтобы они в основном указывали в определенном направлении при движении и столкновении.
Эта регулируемая поляризация важна для выявления деталей внутренней структуры частиц, включая то, как составляющие их кварки и связанные с клеем частицы, называемые глюонами, вносят вклад в общий спин протонов и как эти частицы взаимодействуют.«В этом эксперименте поляризация дает ученым уникальный способ понять трудноуловимые детали того, как« цветные »заряды кварков и глюонов влияют на их микрокосмические взаимодействия», — объяснила физик из Брукхейвена Эльке Ашенауэр, член научного сотрудничества, используя Детектор STAR от RHIC для анализа субатомных столкновений.Цвета видимые и невидимыеЕсли вы когда-нибудь видели красочные изображения следов частиц, возникающих в результате столкновений на STAR, вы могли бы задаться вопросом, из-за чего весь этот шум вокруг «цвета».
STAR производит эти похожие на фейерверки дисплеи с тех пор, как RHIC начал работу в июне 2000 года. Цвета этих треков помогают идентифицировать типы частиц, возникающих в результате столкновений RHIC. Но «цвет» кварков, из которых состоят сталкивающиеся ионы, — это совсем другое понятие. Это тип заряда, который заимствует соглашение об именах из нашего понимания видимого света, потому что он имеет три формы, которые необходимо объединить, чтобы сформировать нейтральное состояние — аналогично тому, как три основных цвета света (красный, зеленый и синий) ) вместе образуют "нейтральный" белый свет.
Как и в случае с более привычными положительными и отрицательными электрическими зарядами, при цветном заряде противоположности притягиваются, а подобные заряды отталкиваются.«Чтобы получить нейтральный (белый) цвет, вам нужны все три цвета. Таким образом, противоположностью каждого отдельного цветового заряда являются два других вместе взятых», — сказал Ашенауэр.
Необходимость объединения трех разноцветных кварков является определяющим свойством сильного ядерного взаимодействия, которое не позволяет кваркам быть свободными и в конечном итоге связывает протоны и нейтроны с образованием атомов видимой материи. В то время как в нескольких экспериментах была предпринята попытка измерить эффекты притягивающего взаимодействия, которое связывает «непохожие» цветные заряды, теперь ученые впервые измерили эффект отталкивающего цветового взаимодействия, когда «похожие» цветные заряды встречаются при столкновении частиц при столкновении RHIC.Та же асимметрия, противоположный знакИсследование эффектов взаимодействия цветных зарядов при столкновении частиц в STAR — непростая задача.
Как объяснил сотрудник STAR Сальваторе Фацио, физики RHIC делают это, измеряя количество, траекторию и уровень энергии частиц, называемых W-бозонами, которые возникают в результате столкновений поляризованных протонов на RHIC. Но Ws распадается мгновенно — на электрон, который довольно легко подхватить, и нейтрино, печально известную неуловимую частицу, которая быстро убегает. Чтобы получить представление об энергии нейтрино, ученые должны обнаружить все частицы, которые отскакивают в противоположном направлении от убегающего нейтрино, а затем сложить все это вместе с энергией электрона, чтобы получить необходимую им информацию о каждой W.
Эта реконструкция частицы из струйной струи обломков требует большого детектора с очень большим приемом — способностью отслеживать широкий спектр частиц на очень большой площади. Другими словами, вам нужен STAR, детектор слежения, который, как гигантская бочка, покрывает область вокруг точки столкновения лучей и способен улавливать тысячи брызг частиц в секунду.
«Детали этого измерения очень технические, — сказал Фацио, — но подсчет всех W может указывать на нечто, называемое« единственной поперечной спиновой асимметрией »- дисбаланс в количестве этих частиц, выходящих на одну сторону детектора. по сравнению с другими в зависимости от того, куда указывает спин протона ». Это измерение — большой шаг к проверке давних теоретических предсказаний, основанных на понимании работы цветового взаимодействия.Как отметил Ашенауэр: «В мире существует множество инициатив по измерению этой асимметрии в столкновениях электронов и мюонов с протонами с использованием неподвижных мишеней на других объектах, таких как КОМПАС, ГЕРМЕС и Национальный ускорительный комплекс Томаса Джефферсона. измерения, полученные в результате этих экспериментов, отражают эффекты силы притяжения между «непохожими» цветными зарядами. Единственный способ проверить теорию цветового взаимодействия, которое в одном случае является притягивающим, а в другом — отталкивающим, — это получить наблюдаемую величину, вызываемую отталкивающим эффектом. взаимодействие между «похожими» цветными зарядами — это то, что мы смогли проверить с помощью поляризованных протон-протонных столкновений на RHIC ».Гипотеза заключалась в том, что эксперимент RHIC вызовет такой же пространственный дисбаланс в производстве W, но в противоположном направлении, как это видно в экспериментах, чувствительных к взаимодействиям «непохожих» цветных зарядов.
Экспериментальная проверка этого «изменения знака» является одним из открытых вопросов в адронной физике и недавно была отмечена как приоритетная национальным Консультативным комитетом по ядерным наукам (NSAC).Команда STAR заявляет, что даже после проведения этих исследований в течение относительно короткого времени в качестве способа подтверждения концепции, они заметили намек на изменение знака, но для уверенности необходимо больше данных.
«Поскольку это настолько сложное измерение, мы изначально не посвящали этому целую серию. Но теперь у нас есть подсказка, которую мы хотим продолжить», — сказал Фацио. Команда надеется закрепить этот аргумент в тесте RHIC в 2017 году, который для STAR будет посвящен этому измерению.
Кроме того, поскольку эти новые результаты согласуются с теорией, которую ученые использовали для описания внутренней структуры протона, они также поддерживают свой план использования будущих столкновений электронов с поляризованными протонами на предлагаемом электронно-ионном коллайдере (EIC) для проведения подробных исследований. исследования внутреннего строения протона.«Эти измерения STAR дают представление о внутреннем импульсе кварков и глюонов, как в направлении движения, так и в поперечном импульсе.
EIC раскрывает все необходимые детали для создания трехмерных изображений импульсной структуры протона», — сказал Ашенауэр.См.
Статью по адресу: http://arxiv.org/abs/1511.06003.