Le puzzle du spin du proton :les scientifiques veulent savoir comment les différents constituants du proton contribuent à son spin, une propriété fondamentale qui joue un rôle dans la façon dont ces blocs de construction donnent naissance à presque toute la matière visible dans l'univers. Les pièces du puzzle comprennent le moment angulaire orbital des quarks et des gluons (en haut à gauche), spin du gluon (en haut à droite) et spin des quarks et antiquarks (en bas). Les dernières données du RHIC révèlent que la contribution des antiquarks est plus complexe qu'on ne le pensait. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
De nouvelles données de l'expérience STAR du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) ajoutent des détails et de la complexité à un casse-tête intrigant que les scientifiques cherchent à résoudre :comment les éléments constitutifs d'un proton contribuent à sa rotation. Les résultats, vient de paraître sous forme de communication rapide dans la revue Examen physique D , révèlent définitivement pour la première fois que différentes "saveurs" d'antiquarks contribuent différemment au spin global du proton - et d'une manière opposée à l'abondance relative de ces saveurs.
"Cette mesure montre que la pièce de quark du puzzle du spin du proton est composée de plusieurs pièces, " dit James Drachenberg, porte-parole adjoint de STAR de l'Université chrétienne d'Abilene. "Ce n'est pas un puzzle ennuyeux; il n'est pas divisé de manière égale. Il y a une image plus compliquée et ce résultat nous donne un premier aperçu de ce à quoi ressemble cette image."
Ce n'est pas la première fois que la vision des scientifiques sur le spin du proton change. Il y a eu une véritable "crise" de spin dans les années 1980 lorsqu'une expérience au Centre européen de recherche nucléaire (CERN) a révélé que la somme des spins des quarks et des antiquarks dans un proton pouvait expliquer, au mieux, un quart de la rotation globale. RHIC, une installation utilisateur de l'Office of Science du Département de l'énergie des États-Unis pour la recherche en physique nucléaire au Laboratoire national de Brookhaven, a été construit en partie pour que les scientifiques puissent mesurer les contributions d'autres composants, y compris les antiquarks et les gluons (qui "collent" ensemble, ou lier, les quarks et les antiquarks pour former des particules telles que des protons et des neutrons).
Les antiquarks n'ont qu'une existence éphémère. Ils forment des paires quark-antiquark lorsque les gluons se séparent.
"Nous appelons ces paires la mer de quarks, " dit Drachenberg. " A un instant donné, tu as des quarks, gluons, et une mer de paires quark-antiquark qui contribuent d'une manière ou d'une autre à la description du proton. Nous comprenons le rôle que jouent ces quarks marins à certains égards, mais pas en ce qui concerne le spin."
Explorer les saveurs de la mer
Une considération clé est de savoir si différentes « saveurs » de quarks marins contribuent au spin différemment.
Ce modèle du détecteur STAR montre les principaux composants du détecteur utilisés dans ce résultat. Les électrons des désintégrations du boson W (ou les positons des désintégrations W+) sont suivis à l'intérieur d'un champ magnétique à l'aide de la chambre à projection temporelle (TPC). Le champ magnétique fait que les particules négatives et positives se courbent de manière opposée, permettant aux scientifiques d'identifier qui est quoi. Le Calorimètre Electromagnétique Barrel (BEMC) mesure l'énergie des particules émergeant des collisions perpendiculaires aux faisceaux en collision, tandis que le calorimètre électromagnétique (EEMC) fait de même pour les particules émergeant vers l'avant. Cette image montre une piste d'électrons simulée (en rouge) pointant vers un important dépôt d'énergie localisé dans le BEMC (également en rouge). Crédit :T. Sakuma
Les quarks se déclinent en six saveurs :les variétés haut et bas qui composent les protons et les neutrons de la matière visible ordinaire, et quatre autres espèces plus exotiques. La division des gluons peut produire des paires quark/antiquark, des paires quark/antiquark down—et parfois des paires quark/antiquark encore plus exotiques.
"Il n'y a aucune raison pour qu'un gluon préfère se scinder en l'une ou l'autre de ces saveurs, " dit Ernst Sichtermann, un collaborateur STAR du Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) du DOE qui a joué un rôle de premier plan dans la recherche sur les quarks marins. "Nous nous attendrions à un nombre égal [de paires ascendantes et descendantes], mais ce n'est pas ce que nous voyons. » Les mesures au CERN et au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi du DOE ont toujours trouvé plus d'antiquarks down que d'antiquarks up.
"Parce qu'il y a cette surprise - une asymétrie dans l'abondance de ces deux saveurs - nous avons pensé qu'il pourrait aussi y avoir une surprise dans leur rôle dans le spin, " dit Drachenberg. En effet, des résultats antérieurs de RHIC ont indiqué qu'il pourrait y avoir une différence dans la façon dont les deux saveurs contribuent à la rotation, encourager l'équipe STAR à faire plus d'expériences.
Atteindre les objectifs de spin
Ce résultat représente l'accumulation de données du programme de spin RHIC de 20 ans. C'est le résultat final de l'un des deux piliers initiaux motivant le programme de spin à l'aube du RHIC.
Pour toutes ces expériences, STAR a analysé les résultats des collisions de protons polarisés au RHIC, des collisions où la direction globale du spin des deux faisceaux de protons du RHIC était alignée de manière particulière. La recherche de différences dans le nombre de certaines particules produites lorsque la direction de spin d'un faisceau de protons polarisés est inversée peut être utilisée pour suivre l'alignement de spin de divers constituants et donc leurs contributions au spin global du proton.
Pour les mesures des quarks marins, Les physiciens de STAR ont compté les électrons et les positrons, des versions antimatières des électrons qui sont identiques à tous égards, sauf qu'elles portent une charge électrique positive plutôt que négative. Les électrons et les positons proviennent de la désintégration de particules appelées bosons W, qui se déclinent également en variétés négatives et positives, selon qu'ils contiennent un antiquark haut ou bas. La différence dans le nombre d'électrons produits lorsque la direction de spin du proton en collision est inversée indique une différence dans la production de W et sert de support pour mesurer l'alignement de spin des antiquarks up. De la même manière, la différence de positrons provient d'une différence de production de W+ et sert de remplaçant pour mesurer la contribution au spin des antiquarks down.
Les collisions de protons polarisés (faisceau entrant par la gauche) et de protons non polarisés (droite) entraînent la production de bosons W (dans ce cas, W-). Les détecteurs du RHIC identifient les particules émises lors de la désintégration des bosons W (dans ce cas, électrons, e-) et les angles sous lesquels ils émergent. Les flèches colorées représentent différentes directions possibles, qui sonde les différentes saveurs de quark - par exemple, un antiquark "up" (u) et un quark "down" (d) contribuent au spin du proton. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Nouveau détecteur, précision supplémentaire
Les dernières données incluent des signaux capturés par le calorimètre d'extrémité de STAR, qui capte les particules se déplaçant à proximité de la ligne de lumière vers l'avant et vers l'arrière de chaque collision. Avec ces nouvelles données ajoutées aux données des particules émergeant perpendiculairement à la zone de collision, les scientifiques ont réduit l'incertitude de leurs résultats. Les données montrent définitivement, pour la première fois, que les spins des antiquarks up contribuent davantage au spin global du proton que les spins des antiquarks down.
"Cette 'asymétrie de saveur, " comme l'appellent les scientifiques, est surprenant en soi, mais d'autant plus qu'il y a plus d'antiquarks down que d'antiquarks up, " a déclaré Qinghua Xu de l'Université du Shandong, un autre scientifique principal qui a supervisé l'un des étudiants diplômés dont l'analyse était essentielle à l'article.
Comme l'a noté Sichtermann, "Si vous revenez au puzzle original du spin du proton, où nous avons appris que la somme des spins du quark et de l'antiquark ne représente qu'une fraction du spin du proton, les prochaines questions sont quelle est la contribution du gluon ? Quelle est la contribution du mouvement orbital des quarks et des gluons ? Mais aussi, pourquoi la contribution des quarks est-elle si faible ? Est-ce à cause d'une annulation entre les contributions de spin des quarks et des antiquarks ? Ou est-ce à cause des différences entre les différentes saveurs de fromage blanc ?
« Les résultats précédents du RHIC ont montré que les gluons jouent un rôle important dans le spin du proton. Cette nouvelle analyse indique clairement que la mer joue également un rôle important. une bonne raison de regarder plus profondément dans la mer."
Bernd Surrow, un physicien de Temple University qui a aidé à développer la méthode du boson W et a supervisé deux des étudiants diplômés dont les analyses ont conduit à la nouvelle publication, est d'accord. "Après plusieurs années de travail expérimental au RHIC, ce nouveau résultat passionnant permet de mieux comprendre les fluctuations quantiques des quarks et des gluons à l'intérieur du proton. Ce sont le genre de questions fondamentales qui attirent les jeunes esprits, les étudiants qui continueront à repousser les limites de nos connaissances. »
Des mesures STAR supplémentaires pourraient donner un aperçu des contributions au spin des paires quark/antiquark exotiques. En outre, Les scientifiques américains espèrent approfondir le mystère du spin dans un futur collisionneur électron-ion proposé. Cet accélérateur de particules utiliserait des électrons pour sonder directement la structure de spin des composants internes d'un proton et devrait finalement résoudre le casse-tête du spin du proton.
