Dans les smashups proton-proton, plus de neutrons se dispersent vers la droite que vers la gauche par rapport à la direction du spin du proton. C'était la sagesse acceptée, et les scientifiques pensaient que le schéma tiendrait même lorsque les protons heurteraient des noyaux plus gros. De nouvelles recherches minutieuses montrent que ce n'est pas le cas. Les scientifiques ont analysé les collisions de protons en rotation avec des noyaux atomiques de différentes tailles au détecteur PHENIX du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC). Ils ont découvert que l'augmentation de la taille du noyau "cible" faisait que les neutrons diffusés par ces collisions faisaient passer leur "préférence" directionnelle de la droite à la gauche. Les résultats suggèrent que les mécanismes produisant les neutrons diffusés diffèrent selon la taille de la cible.

Comprendre comment les particules sont produites dans les collisions nucléaires pourrait avoir de grandes implications pour l'interprétation d'autres collisions de particules à haute énergie. Les informations provenant de ces collisions offrent un aperçu de la nature et des forces qui gouvernent la matière, qui construit le monde autour de nous, des minuscules cellules vivantes aux étoiles gigantesques. Plus loin, ce nouveau résultat s'ajoute à l'histoire déroutante de ce qui cause le changement de direction de diffusion en premier lieu. Ces résultats et d'autres des collisions de protons polarisés du RHIC contribueront à terme à répondre à cette question.

Lorsque les physiciens du RHIC ont heurté pour la première fois des protons alignés en spin avec des noyaux d'or beaucoup plus gros en 2015, ils s'attendaient à voir des neutrons émerger le long de la trajectoire du projectile à protons légèrement inclinés vers la droite, comme ils l'avaient fait lors de précédentes collisions proton-proton. Mais plutôt, ils ont observé une préférence directionnelle beaucoup plus grande vers la gauche plutôt que vers la droite. Ils ont procédé à un examen minutieux de leur analyse et effectué des simulations de détecteurs pour s'assurer qu'ils ne voyaient pas simplement un artefact de détecteur ou un effet de la façon dont les faisceaux en collision étaient alignés. Ensuite, ils ont travaillé avec les physiciens des accélérateurs du RHIC pour répéter l'expérience dans des conditions contrôlées encore plus précisément et ont inclus des mesures avec des noyaux d'aluminium de taille intermédiaire. Ces résultats ont révélé que la préférence directionnelle des neutrons était réelle et vers la droite dans les collisions proton-proton, presque zéro (c'est-à-dire sans préférence) dans les collisions proton-aluminium, et très fort et vers la gauche dans les smashups proton-or.

Pour comprendre les conclusions, les scientifiques ont dû examiner de plus près les processus et les forces affectant les particules de diffusion. Leurs analyses suggèrent que la très grande charge électrique positive sur le noyau d'or, avec 79 protons chargés positivement, entraîne de fortes interactions électromagnétiques qui jouent un rôle beaucoup plus important dans la production de particules que dans le cas de deux petites, des protons de même charge entrent en collision. Dans ces collisions proton-proton, la préférence directionnelle opposée est entraînée, au lieu, par les interactions entre les quarks et les gluons internes des particules, régie par la force nucléaire forte. Les scientifiques continueront d'analyser leurs données des expériences de 2015 de différentes manières pour voir comment l'effet dépend d'autres variables, comme la quantité de mouvement des particules dans diverses directions. Ils examineront également comment les préférences des particules autres que les neutrons sont affectées et travailleront avec des théoriciens pour mieux comprendre leurs résultats et l'origine des asymétries de spin transverse dans les collisions proton-proton et proton-noyau.