Un groupe de chercheurs comprenant des scientifiques du RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Université de Tokyo, Université de Nagoya, et l'Agence japonaise de l'énergie atomique (JAEA) a utilisé le collisionneur d'ions lourds relativistes à polarisation de spin du Brookhaven National Laboratory aux États-Unis pour montrer que, dans les collisions proton-proton polarisées, les pions neutres émis dans la zone très avancée des collisions - où les interactions directes impliquant les quarks et les gluons ne sont pas applicables - ont encore un degré élevé d'asymétrie gauche-droite. Cette découverte suggère que le consensus précédent concernant la génération de particules dans de telles collisions doit être réévalué.

Comprendre le mécanisme par lequel les particules sont créées dans les collisions impliquant des protons est pertinent pour comprendre les gerbes de rayons cosmiques, où les particules entrant dans l'atmosphère terrestre depuis l'espace créent des « pluies » de particules qui nous aident à en apprendre davantage sur les phénomènes astronomiques qui se déroulent dans l'environnement extrême de l'univers. Cependant, il est très difficile d'étudier comment les particules sont créées, car la force qui lie les protons dans le noyau et qui lient les quarks et les gluons en protons - l'interaction forte ou force nucléaire - est très forte par rapport à d'autres forces telles que la force électromagnétique et la gravité. Une piste pour explorer ces défis importants a impliqué un attribut des protons appelé spin, ce qui peut être compris par analogie avec la façon dont une toupie tourne sur son axe. Le spin des protons peut être aligné artificiellement, dans un processus appelé polarisation.

Dans les années 1970, des expériences sur l'accélérateur du laboratoire national d'Argonne aux États-Unis ont révélé que les pions générés vers le front des collisions impliquant des protons polarisés présentaient une grande asymétrie gauche-droite. L'énergie des protons polarisés utilisés dans ces expériences était d'environ 10 milliards d'électrons-volts (GeV). Des expériences à des énergies plus élevées, dont une à 200 GeV utilisant le faisceau de protons polarisés au Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) aux États-Unis et au RHIC au Brookhaven National Laboratory (BNL) aux États-Unis, où deux faisceaux de protons de 100 GeV se déplaçant dans des directions opposées sont entrés en collision, a montré que l'asymétrie gauche-droite persistait même avec des protons polarisés à haute énergie. Un consensus a émergé que cette asymétrie était causée par des interactions directes entre les quarks et les gluons dans les protons, basé sur une théorie appelée chromodynamique quantique perturbative (QCD).

Cependant, avec des expérimentations complémentaires au RHIC, des conclusions ont commencé à émerger qui ont remis en cause le consensus. Selon Yuji Goto, l'un des auteurs de l'ouvrage en cours, "A l'énergie du RHIC, les quarks et les gluons sont dispersés, et diverses particules sont générées sous la forme d'un jet. Lorsque l'asymétrie gauche-droite du jet généré en avant de la position de collision au RHIC a été examinée, il s'est avéré que, contrairement aux attentes, le jet global et les pions contenus dans le jet n'ont pas montré d'asymétrie gauche-droite. Cela suggérait que la cause de l'asymétrie gauche-droite n'était pas la diffusion directe des quarks et des gluons."

Afin d'approfondir l'enquête, les chercheurs ont mené des expériences, Publié dans Lettres d'examen physique , où ils ont utilisé un détecteur de calorimètre électromagnétique précédemment utilisé dans le Grand collisionneur de hadrons au CERN - connu sous le nom d'expérience LHCf là-bas et d'expérience RHICf au RHIC - pour examiner en détail les rayons gamma générés par la désintégration des pions dans la région très avancée du collision. Ils ont trouvé, cependant, que l'asymétrie gauche-droite des pions neutres persiste même dans cette zone très étroite.

Goto dit, "Nous avons constaté que l'asymétrie continue d'exister à un angle très étroit juste devant la collision, et en fait augmente à mesure que l'angle s'éloigne de zéro. Ce résultat nécessite un réexamen des interprétations théoriques antérieures. Le petit angle avant de l'asymétrie correspond à la région d'énergie dans laquelle les protons provoquent l'état excité, et la contribution d'autres mécanismes - la diffraction et la résonance - peut fournir un indice au mystère."

Selon Minho Kim, un associé de programme international à RIKEN et étudiant diplômé à l'Université de Corée, qui fut le premier auteur de l'expérience, "C'était génial de pouvoir travailler avec le nouveau détecteur, et nous prévoyons de poursuivre nos travaux pour comprendre le mécanisme qui génère l'asymétrie gauche-droite. Cela nous donnera certainement un aperçu des averses de rayons cosmiques et nous aidera ainsi à comprendre les phénomènes qui se déroulent dans l'environnement extrême de l'univers."