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物理学家放大了胶子对质子自旋的贡献

2019-05-07 16:36:06来源:

通过分析美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室的粒子对撞机相对论重离子对撞机(RHIC)的最高能量质子碰撞,核物理学家们已经看到了多个单独携带的胶子的情况。质子的整体动力很少有助于质子的旋转。最近发表的一篇论文中描述的数据表明,这些胶状粒子 - 以它们在构成每个质子的夸克中的作用命名 - 在确定这些构件的固有角动量或旋转方面起着重要作用。物质

RIKEN-BNL研究中心(RBRC)的物理学家,RHIC的PHENIX合作成员Ralf Seidl说:“这些结果证实了我们怀疑很多胶子对质子自旋的贡献来自动量相对较低的胶子。” ,发表了这些结果。结果还表明,胶子对自旋的总体贡献可能甚至大于夸克的贡献。

探索质子自旋的来源是RHIC的主要科学任务之一,RHIC是美国能源部科学用户设施办公室,也是世界上唯一能够使质子与其旋转方向相互作用的机器。来自全球的核物理学家,包括许多由日本RIKEN实验室支持的物理学家,来到RHIC研究这些“极化质子”碰撞,以解决所谓的质子旋转谜题。RBRC与RIKEN合作在Brookhaven成立,以支持从事这项研究和其他相关研究的年轻科学家。

质子旋转之谜起源于20世纪80年代的实验揭示质子的自旋 - 一种影响这些粒子的光学,电学和磁学特性的特性 - 并不仅仅来自它的夸克。为了梳理胶子的作用,RHIC物理学家碰撞两束质子,它们的自旋在同一方向上对齐,然后一束光的极化翻转,使自旋“反对齐”。PHENIX探测器测量在这两种情况下垂直于碰撞光束从碰撞区出来的称为π介子的粒子数。在这两种条件之间在这些π介子的产生中观察到的任何差异表明胶子的自旋与质子的旋转对齐多少,因此有助于质子的旋转。

2014年报告的结果表明,胶子肯定发挥了重要作用,但其贡献量的不确定性相当大。碰撞的能量和RHIC探测器测量的角度都限制了这些实验可以探索的胶子范围。

与先前的200 GeV数据相比,新数据来自更高能量的碰撞--500亿电子伏特(GeV)。

“这种更高的碰撞能量使我们能够扩展'运动范围',以观察质子整体动量较低部分的胶子的贡献,”Seidl说。“起初听起来很矛盾,但随着碰撞能量的上升,你所测量贡献的胶子的'动量分数'下降了。”

爱荷华州立大学的PHENIX合作者John Lajoie解释说,你可以把它想象成一台显微镜。“使用更高的能量可以让你专注于较小的物体。在这种情况下,较小的物体是较低的动量分数胶子。”

数据显示,这些“懦弱”的胶子在促进质子旋转方面发挥着巨大的作用。物理学家说,原因在于它们有很多。

“对于非常低的动量分数,胶子的密度会迅速增加,”Seidl说。

再次使用显微镜类比,“我们放大的越多,我们可以观察到的'量子波动'越多,”Lajoie说,指的是亚原子粒子分裂和转换的异想天开的趋势。“在质子里面,有一个夸克,反夸克和胶子的海洋在变化和发展。当你看到一个分辨率你会看到一定数量,但仔细观察你会发现其中一些颗粒已经分裂,所以实际上有更多的胶子那里。”

低动量分数胶子极化的测量,以及这些粒子对整体质子自旋的巨大贡献,降低了胶子对旋转的总体尺寸的不确定性。虽然之前的结果表明胶子可能与夸克和反夸克一样多,但新发现可能会使胶子的总贡献更高一些。

“很大的不确定性仍然存在,这些测量还有改进的余地,”Seidl说。还有其他方法可以寻找甚至更低动量分数的胶子的贡献,包括探索以更“前向”角度从碰撞中出现的粒子。“将动量分数范围进一步扩大到更低的值是RHIC旋转计划的剩余目标之一,”Seidl说。

这也是核物理学家想要构建电子离子对撞机(EIC)的一个原因,这种机器可以使用电子束更直接地探测质子的内部结构。

“EIC将允许我们在更广泛的动量分数范围内进行大量,极其精确的测量,”Brookhaven物理学家Elke Aschenauer说道,他是RHIC旋转项目的负责人。“它将成为世界上唯一能够测量极化胶子分布随其动量以及它们在质子中的空间分布的分布的设施 - 就像显微镜一样,可以非常精确地分辨出最小的特征。”

美国核科学咨询委员会最近的一份报告将EIC列为新设施建设的首要任务,一旦另一个建设项目已经完成。因此,科学家们可能会希望能够精确地看到胶子以最终解决旋转之谜。