Спины глюонов выровнены в том же направлении, что и спины протона, в котором они находятся
Новая публикация Коллаборации PHENIX на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) предоставляет убедительные доказательства того, что «спины» глюонов выровнены в том же направлении, что и спины протона, в котором они находятся. Результат, только что опубликованный в Physical Review Letters, предоставляет теоретикам новые данные для расчета того, какой вклад во вращение протона вносят глюоны — подобные клею частицы, удерживающие вместе кварки внутри протонов и нейтронов.
Новый анализ данных детектора PHENIX на Релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) дает новое представление о том, как глюоны способствуют вращению протона.
Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Вопрос о том, вносят ли глюоны вклад в спин протона — собственный угловой момент, связанный с оптическими, магнитными и другими свойствами протонов, и если да, то в какой степени, — остается открытым вопросом с 1987 года. компоненты протонов и нейтронов, не могут объяснить полное значение спина протона.
«Я участвовал в эксперименте ЦЕРН, который установил, что кварки не обладают слишком большой спиной. Это было большим сюрпризом, он вызвал «спиновый кризис», — сказал Абхай Дешпанде, физик из Университета Стоуни-Брук (SBU). и Брукхейвенская национальная лаборатория Министерства энергетики США, где RHIC работает в качестве пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США для физиков-ядерщиков со всего мира. «Очевидно, что оставшийся спин должен был появиться откуда-то еще. Так что в то время существовали идеи, что глюоны могут нести остальную часть спина».
Поиски ответов обратились в Брукхейвенскую лабораторию, где RHIC формировался для изучения другого набора физических вопросов, связанных с тем, как кварки и глюоны существовали в ранней Вселенной. Но тайна спина привлекла совершенно новый набор сотрудников — и значительный вклад от японской лаборатории RIKEN — для расширения возможностей RHIC. К ним относятся специализированные компоненты ускорителя, которые позволяют RHIC выравнивать и «переворачивать» спины протонов (что делает его единственным в мире поляризованным протонным коллайдером), а также дополнительное оборудование для проведения ключевых измерений спина в эксперименте PHENIX, одном из первых детекторов частиц RHIC. .
«В начале проекта RHIC мы чувствовали, что это то место, куда мы должны идти», — сказал Хидето Эньо, физик RIKEN и один из представителей первого предложения по ускорению поляризованных протонов в RHIC. «Мы были так взволнованы, когда поняли, что RHIC поляризуем, что позволяет нам решить роль глюонов в спиновом кризисе протона».
Брукхейвенская лаборатория приняла предложение о дополнении ускорителя и детектора, а RIKEN предоставила финансирование.
«Кроме того, поскольку это было больше, чем просто участие в одном эксперименте, RIKEN решила создать Исследовательский центр RIKEN-BNL (RBRC) в качестве передовой базы RIKEN и дома в Брукхейвенской лаборатории для экспериментаторов и теоретиков, необходимых для решения этих вопросов». — сказал Энъё.
Золотое измерение
Новый результат PHENIX является одним из «золотых» измерений, предложенных в качестве ключевого мотиватора для программы физики спина RHIC. Это сравнение количества «прямых фотонов» (частиц света), испускаемых, когда RHIC сталкивается с протонами, спины которых направлены в противоположные стороны (либо друг к другу, либо от них), с количеством прямых фотонов, образующихся, когда протоны в двух лучи направлены в одном направлении (встречаются головой к хвосту).
По причинам, связанным с тем, как кварки и глюоны могут взаимодействовать, испуская фотоны (и зная, что суммарные спины кварков положительно выровнены со спином протона), наблюдение разницы будет означать, что спины глюонов также выровнены или поляризованы — и, что важно, в каком направлении. То есть условие столкновения, создающее больше прямых фотонов, должно было сказать им, было ли выравнивание спина глюона положительным — указывающим в том же направлении, что и протонный спин и вносящим свой вклад в это значение, — или отрицательным (указывающим в противоположном направлении и противодействующим вкладам кварков).
«Это очень чистый и простой для интерпретации результат», — сказал физик Брукхейвенской лаборатории Александр (Саша) Базилевский, заместитель представителя коллаборации PHENIX. «Прелесть прямых фотонов в том, что в их производстве на RHIC преобладают кварк-глюонные взаимодействия», — сказал он. Другими словами, эти частицы света появляются непосредственно в результате взаимодействия кварка в одном пучке протонов с глюоном в другом, а не в результате распада какой-либо другой частицы, образовавшейся при столкновении.
«И когда создается фотон, поскольку он не несет никакого цветового заряда [форма заряда, которая вызывает сильное взаимодействие между кварками и глюонами], он не взаимодействует с окружающей ядерной материей», — сказал Дешпанде. «Вот почему это такое чистое измерение».
Но, несмотря на эту кажущуюся простоту, «это довольно сложно измерить экспериментально», — сказал Базилевский.
Прямые фотоны (γ) испускаются, когда кварк в одном протоне взаимодействует с глюоном в другом протоне. Сравнивая количество прямых фотонов, испускаемых при столкновениях, когда спины протонов направлены в противоположные стороны (как показано), с числом, испускаемым, когда спин одного протона переворачивается так, чтобы оба были направлены в одном направлении, ученые могут определить, выровнены ли спины глюонов с или против направления вращения протона.
Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Игра чисел
Одна из причин трудности заключается в том, что множество других фотонов исходит из столкновений RHIC. Поиск тех, которые происходят непосредственно из кварк-глюонных взаимодействий, требует систематического процесса исключения.
«Ни один другой эксперимент или детектор не может провести такое измерение», — сказал Ясуюки Акиба, физик из Центра ускорительных исследований RIKEN Nishina, представитель коллаборации PHENIX и руководитель экспериментальной группы в RBRC. «Но поскольку у PHENIX был самый мелкозернистый электромагнитный калориметр (EMCal), когда-либо созданный для эксперимента на коллайдере, он предоставил возможности, необходимые для отделения прямых фотонов от фотонов, поступающих из других источников», — пояснил он.
Например, если фотон, захваченный детектором, окружен другими частицами, вероятно, он возник в результате радиационных процессов, произошедших после столкновения, поэтому эти фотоны не являются прямыми. Точно так же, если энергия и углы пары фотонов могут быть реконструированы так, чтобы они возникли в результате распада родительской частицы — скажем, нулевого пи-мезона, — тогда эти фотоны также не являются прямыми фотонами. После всех исключений предполагается, что фотоны, не имеющие другого очевидного источника, возникли в результате кварк-глюонного рассеяния.
Чтобы остаться с достаточным количеством прямых фотонов для надлежащего статистического анализа после фильтрации других процессов, производящих фотоны, ученым также требовалось очень большое количество столкновений или светимости. Когда RHIC впервые начал сталкивать поляризованные протоны в начале 2000-х годов, у него не было цифр.
«Роберт Беннетт (ныне специалист по данным в Вашингтоне, округ Колумбия) был первым из моих студентов, который начал работать над этим в конце 2000-х годов, используя методы анализа, первоначально разработанные Кенсуке Окада из RBRC и RIKEN», — сказал Дешпанде. «Метод сработал, и мы получили предварительные результаты, но у нас не было достаточно статистики для публикации».
Тем временем PHENIX и STAR, другой крупный детектор RHIC, провели другие измерения , связанные со спином глюона. Анализ STAR струй частиц и анализ PHENIX нулевых пи-мезонов показали, что глюоны действительно поляризованы. «Это было большим открытием, — сказал Базилевский.
Но эти измерения не могли достоверно определить направление вращения глюонов — вдоль или против направления поляризации протона. Кроме того, поскольку частицы, отслеживаемые в этих измерениях, действительно взаимодействуют посредством обмена цветовыми зарядами, их сигналы не были такими чистыми, как ожидаемые прямые фотонные измерения.
К счастью, сообщества физиков-экспериментаторов и ускорителей, которые стремились вывести RHIC на еще более высокий уровень производительности, выстояли.
«Многие ученые, в том числе сотрудники RIKEN, RBRC, а также местные физики Брукхейвенской лаборатории Джерри Банс с физического факультета и Юсеф Макдиси из C-AD, помогли продвинуть программу вперед», — сказал Дешпанде. «Саша и я пришли как молодые ученые / стипендиаты RBRC, а они были пожилыми людьми, которые всячески нас наставляли».
«А Томас Розер [физик-ускоритель, который позже стал председателем Отдела коллайдеров-ускорителей (C-AD)] был большим пропагандистом спиновой программы», — добавил он. «Он понимал, насколько это сложно. Но он также понимал, что задача была захватывающей, и что новые ученые приедут сюда, чтобы принять вызов, и что их усилия улучшат коллайдер для всей программы RHIC».
Инвестиции окупились. К 2013 году светимость RHIC как для столкновений поляризованных протонов, так и для столкновений тяжелых ионов намного превысила пределы его первоначальной конструкции. А новаторские достижения в физике ускорителей повысили степень поляризации протонных пучков почти до 60%.
Преданные ученики и опыт
Нужен был еще один ингредиент: студент, готовый взяться за сложный анализ.
«Когда появились светимость и поляризация RHIC, заслуга Чжунлин Цзи, который присоединился к моей группе в качестве аспиранта Университета Стоуни-Брук в 2015 году и понял, насколько сложной была эта проблема, что он все еще прыгнул и придерживался ее. это», — сказал Дешпанде.
Анализ продолжался в течение аспирантской карьеры Чжунлина, немного дольше, чем у типичного доктора философии. студенческой работы из-за задержек, вызванных пандемией COVID-19.
«Как уже отмечалось, одним из основных препятствий в этом анализе является эффективное удаление значительного фона фотонов, возникающих в результате распада других частиц, образующихся при столкновениях RHIC», — сказал Цзи, ныне работающий в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. «Наш анализ основан на работе Окада и Беннетта, а также на вкладе Саши и Сангхвы Парк, когда она была постдоком в Стоуни-Брук (физик в Национальном ускорительном комплексе Томаса Джефферсона). Они активно участвовали в анализе. Там, где реконструкция фотонов, образующихся в результате распада других частиц, была невозможна, вместо этого мы полагались на специальное моделирование, чтобы определить частоту этих событий и тщательно удалить их из данных.Это позволило нам сосредоточиться на достаточно большом количестве прямых фотонов, чтобы провести статистически достоверный анализ».
Чтобы исследовать вклад глюонов в спин, ученые сравнили количество прямых фотонов, испускаемых в результате двух разных типов продольно поляризованных протон-протонных столкновений: тех, где спины протонов были направлены в противоположные стороны (в данном случае друг на друга, вверху) и те, где два спина протона указывали в одном направлении, сталкиваясь голова к хвосту (внизу). Более прямые фотоны возникли в результате столкновений противоположно выровненных протонов, показывая, что спины глюонов действительно выровнены в том же направлении, что и протон, в котором они находятся.
Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Результаты, опубликованные в PRL, основаны на данных, собранных в 2013 году, когда в прошлом году запускались высокоэнергетические продольно поляризованные протоны, когда детектор RHIC PHENIX все еще собирал данные. (PHENIX закрылся в 2016 году, чтобы освободить место для sPHENIX , совершенно нового детектора RHIC.) Проанализированные данные соответствуют примерно 5,4 триллионам протон-протонных столкновений.
«В конце концов, пяти студентам потребовалось более 15 лет, чтобы завершить этот анализ», — сказал Дешпанде, высоко оценив самоотверженность Чжунлин, но также отметив опыт, полученный в ходе этих предыдущих усилий. «Все, что делали все эти студенты, было направлено на это. Это была важная работа».
Выводы и будущее
Результаты PHENIX показывают явную разницу в прямом выходе фотонов, при этом более высокие выходы исходят от столкновений, когда спины протонов направлены в противоположные направления (навстречу друг другу или в противоположные стороны). Это явное свидетельство того, что спины глюонов ориентированы в том же направлении, что и спин протона, и вносят значительный вклад в общее значение спина протона. Новый анализ теперь предоставит данные для расчетов теоретиков, чтобы определить, насколько велик этот вклад.
Разгадает ли это наконец загадку вращения протона? Не совсем так, говорят ученые.
Окончательный вклад в спин протона, вероятно, вносит орбитальное движение кварков и глюонов внутри этих составных частиц. Эти детали недоступны при столкновениях продольно поляризованных протонов.
Столкновения на RHIC, где протоны сталкиваются со спинами, направленными «вверх» или поперек, показали намеки на орбитальное движение глюонов. Но для точных измерений орбитального движения придется подождать открытия электронно-ионного коллайдера, нового объекта для ядерно-физических исследований, который будет построен путем перепрофилирования большей части инфраструктуры RHIC.
EIC будет использовать поляризованные электрон-протонные столкновения для более точного измерения спинового вклада глюонов. Эти эксперименты EIC значительно улучшат измерения, которые были возможны в RHIC дополнительным способом. Кроме того, в то время как RHIC давал отличный доступ к глюонам с самой высокой «долей импульса» (те, которые несут большую долю общего импульса протона), EIC предоставит ученым доступ к глюонам с низкой долей импульса. Хотя каждый из этих глюонов с низким x несет небольшую долю общего импульса протона, они могут вносить огромный вклад в спин протона из-за их относительной распространенности.
Базилевский отметил, что EIC замкнет круг тайны спина: «Спиновый кризис начался с экспериментов по глубоконеупругому рассеянию в ЦЕРН при столкновениях мюонов (родственников электронов) с протонами, которые показали, что одни только кварки не могут объяснить спин. Затем Протон-протонные эксперименты RHIC многое открыли о глюонах. Теперь мы вернемся к электрон-протонным столкновениям в EIC с более высокой частотой столкновений и поляризованными лучами, чтобы окончательно решить эту загадку».
