Forskere har arbejdet i årtier for at forstå arkitekturen i den subatomiske verden. Et af Knottier -spørgsmålene har været, hvor protonen får sin iboende vinkelmoment, ellers omtalt som sin spin.
Atomfysikere antager, at protonens spin sandsynligvis kommer fra dens vælgere: kvarker bundet sammen af gluoner, der bærer den stærke kraft. Men detaljerne om quark- og gluon -bidragene har været undvigende.
Nu samler en ny undersøgelse fra et internationalt samarbejde af fysikere beviser fra observationsresultater og analyse ved hjælp af gitterkvantekromodynamik (QCD) for at præsentere et overbevisende argument om, hvor meget af protonens spin kommer fra dets gluoner.
Et nyt papir med resultaterne af undersøgelsen, “Nye datadrevne begrænsninger for tegnet på Gluon-polarisering i protonen,” vises i tidsskriftet Fysiske gennemgangsbreveforfatter af medlemmer af Jefferson Lab Angular Momentum (JAM) samarbejde. Samarbejdet inkluderer teoretikere, eksperimentelle og computerforskere, der undersøger subatomiske partiklers interne struktur gennem QCD. QCD er en teori, der beskriver, hvordan kvarker og gluoner interagerer via den stærke kraft.
Forfatterne, medlemmer af Jam Collaboration’s Spin PDF Analysis Group, er Wally Melnitchouk og Nobuo Sato fra det amerikanske Energi Department of Energy’s Thomas Jefferson National Accelerator Facility; Nicholas Hunt-Smith, Anthony Thomas og Martin White, fra Center for Subatomic Structure of Matter (CSSM) og Arc Center of Excellence for Dark Matter Particle Physics in the Department of Physics and University of Adelaide, Australia; og Christopher Cocuzza fra William & Mary Department of Physics.
Thomas bemærkede, at Jefferson Labs frugtbare forbindelse med University of Adelaide går årtier tilbage, hvor fysikerne arbejder sammen på trods af en tidsforskel på 14,5 timer.
”For mange år siden havde Wally en fælles position mellem Adelaide og Jefferson Lab, da Nathan Isgur var chefforsker,” sagde Thomas. “Og jeg var på Jefferson Lab i seks år som Chief Scientist, fra 2004 til 2009. Fysiksamarbejdet har været i gang.”
Gruppens seneste arbejde adresserer et knudret spørgsmål, der først skal løses for at gøre fremskridt med forståelsen af oprindelsen af protonens spin: Hvad er tegnet på ∆G? Med andre ord, er Gluons ‘spin negativ eller positiv?
Protonens iboende spin
Når fysikere diskuterer spin af en proton – eller en hvilken som helst partikel – henviser de til dets iboende vinkelmoment. Da fysikernes koncept om subatomisk spin er en kvantemekanisk idé, går forklaringer fra vores synlige verden kun så langt; Det bærer denne vinkelmoment, selv når den er i ro. Spin kan være negativ eller positiv – tænk med uret og mod uret.
“Spin er et ejendommeligt kendetegn ved kvanteverdenen,” forklarede Sato, “og protonen har spin på halvdelen. Det er ikke .51, det er ikke .501. Det er ikke .50001. Det er .5. Og det antal er lavet af komponenterne inde i protonen, som hver har sin egen spin. “
Melnitchouk sagde, at værdien af protonens spin er kendt siden 1920’erne. Han tilføjede, at det giver mening, at protonens spin kommer fra de samlede spins fra bestanddelene, der udgør protonerne.
“Det, vi ikke ved, er: Hvilken del af protonens spin bæres af de tre valenskarker i protonen? Hvilken del føres af gluoner?” sagde han. “Hvilken del skyldes måske rotationen, den orbital vinkelmoment, kvarker og gluoner i protonen?”
At negle ned tegnet på ∆G er afgørende for at finde ud af, hvordan protonen får sin spin, og mange års observationsarbejde såvel som teori har ikke leveret et endeligt svar.
De fleste fysikere mente, at en positiv ∆G virkede mere sandsynlig, men “disse negative ∆G-løsninger har altid holdt sig rundt,” sagde Hunt-Smith. “Der er ingen grund til, at vi ikke kan have en negativ ∆G, bare fra et rent fysikperspektiv.”
En ny analyse med verdens første data
Jam -samarbejdspartnere byggede deres fund fra tidligere analytisk arbejde såvel som ældre og nyere observationsdata fra en række eksperimenter, herunder programmer på Jefferson Labs kontinuerlige elektronstråleacceleratorfacilitet (CEBAF) og på den relativistiske tunge ionkollider (RHIC) på Doe’s Brookhaven National Lab. Begge disse partikelacceleratorer er DOE Office of Science User Faciliteter, der bruges af nukleare fysikere fra hele verden til at udføre deres forskning.
“Vores analyse var forskellig fra andre grupper, idet vi virkelig prøvede så meget som muligt at fjerne teoretiske antagelser om, hvordan tingene skulle opføre sig,” sagde Melnitchouk.
En sådan antagelse var, at upolariserede partonfordelinger skal have en sandsynlig fortolkning. Melnitchouk erkendte, at denne antagelse om partoner (den kollektive betegnelse for gluoner, kvarker og andre bestanddelspartikler inde i protonen) er en “teknik.”
”Men det er noget, der er antaget i tidligere analyser af andre grupper over hele verden,” tilføjede han. “Og vi tror nu, at det ikke rigtig er noget, der er grundlæggende.”
Melnitchouk sagde, at observationsdata fra RHIC oprindeligt skabte en global konsensus, der førte i retning af en positiv ∆G.
“Men yderligere analyse gjorde tingene mindre klare,” bemærkede han, “fordi der var et hjørne af parameterrummet, der muliggjorde både positiv og negativ gluon spin.”
Han sagde, at Jam -samarbejdspartnere offentliggjorde et papir for et par år siden, der påpegede, at negativ ∆G stadig var en bæredygtig mulighed. Dette papir var kontroversielt, da det bukkede den fælles visdom i det globale nukleare fysikfællesskab på det tidspunkt, der lænede sig tungt i retning af en positiv gluon -spin.
I mellemtiden havde HadStruc -samarbejdet taget det samme spørgsmål på en anden måde. De brugte supercomputere og gitteret QCD -formulering til at beregne den underliggende QCD -teori, der beskriver interaktionerne mellem kvarker og gluoner i protonen.
“Du diskreterer dybest set rumtid,” forklarede Hunt-Smith. “Du skærer rumtid i en række skiver, og det gør det muligt at beregne en masse fysiske egenskaber.”
En efterfølgende fælles marmelade og HadStruc -samarbejdsanalyse, ledet af Joe Karpie, Nathan Isgur -stipendiaten i Theory Center, kombinerede de nye gitter -QCD -resultater med de eksperimentelle data og bemærkede, at mens dette indsnævrede rummet, indrømmede det stadig en negativ ΔG.
“Der var en lille præference for den positive løsning, men stadig ikke statistisk signifikant,” sagde Hunt-Smith. “Det er her vores nye forskning kommer ind.”
Energiske partikler tilføjer nye data til analyse
Han fortsatte med at forklare, hvordan samarbejdspartnere inkluderede data fra dybinelastiske spredningseksperimenter, herunder dem, der brugte Cebaf på Jefferson Lab.
“Du tager en elektron og fyrer det mod en proton, og ideen er, at du er i stand til at undersøge, hvad der er inde i protonen – de forskellige kvarker og gluoner, der er inde i det – og du kan forstå mere af strukturen af protonen i På den måde, ”sagde han.
Hunt-Smith sagde, at JAM-gruppen især fokuserede på høj-X-data fra de dybe inelastiske spredningseksperimenter, de særligt betydningsfulde bit af resultaterne. Disse data henviser til partikler, der er blevet påvist med særlig høj momentum – eller meget høj energi – hvilket resulterer fra elektronens kollision med protonens bestanddele. Han bemærkede, at inkorporering af høje-X-dataene krævede nogle yderligere teoretiske overvejelser.
”Så tilføjede vi den teori i,” sagde han. “Vi tilføjede flere parametre i analysen for at redegøre for disse yderligere høj-X-data, og så omdirigerede vi analysen. Og vi fandt, at der med inkluderingen af High-X-dataene var en statistisk signifikant forskel mellem den positive og negative ∆G Replicas, hvor nøglefindingen var, at de negative var stærkt ugunstige. “
Hunt-Smith fortsatte med at tilføje, at JAM-analysen viste, at ∆G blev begrænset af ikke kun high-X-dataene fra dybinelastisk spredning, men også af resultaterne af polariserede stråler eksperimenter fra et andet sæt proton-kollision Undersøgelser ved RHIC såvel som de nylige HadStruc -gitter -QCD -data.
Resultaterne er ikke helt definitive, men analysen gør en negativ ∆G Gluon langt mindre sandsynlig end nogensinde.
“Jeg tror ikke, at nogen andre har inkluderet disse Jefferson Lab -data i nogen analyse. Jeg synes, det er et meget vigtigt træk ved denne analyse,” sagde Thomas. “Dette er et meget omfattende datasæt med regioner, som ingen andre har været i stand til at komme til, og det er første gang, det er inkluderet i en omfattende global analyse.”
Sato sagde, at mens jampapiret gør negativ ∆G mindre sandsynligt, lukker det ikke helt døren til muligheden. Han tilføjede, at yderligere observationsdata fra instrumenter som Jefferson Labs igangværende CEBAF 12 GEV-forskningsprogram eller den fremtidige elektron-ion-collider sandsynligvis ville være i stand til at erstatte resterende teoretiske antagelser. Jefferson Lab er partner med Brookhaven National Laboratory i design og etablering af elektron-ion-collider i Brookhaven.
”Så er det muligt, at døren bliver 100% lukket,” sagde han. “Men nu lukker vi dybest set det hul.”