La técnica, descrita en documentos que acaban de publicarse en la revista Physical Review Letters, se basa en la medición de las partículas llamadas bosones W, los mediadores de la fuerza débil responsable de la desintegración de núcleos radiactivos.
"Explorar el misterio del spin del protón ha sido uno de los objetivos de la investigación científica fundamental en el RHIC, "dijo Steven Vigdor, Director Asociado del Laboratorio de Fisica Nuclear y de Partículas de Brookhaven ."Como muchos misterios científicos, éste resulta ser más complejo cuanto más aprendemos de él. La mediciones del bosón W fueron posibles gracias a nuevas técnicas de detección en los experimentos STAR y PHENIX del RHIC y por la ampliación de las energías(récord mundial ) del RHIC para la aceleración de haces de protones con una distinta preferencia de orientación del spin. Los resultados nos permiten separar los detalles sutiles que antes eran inaccesibles, y nos deberían mover a una más cercana comprensión cuantitativa de la estructura y la dinámica del spin del protón. "
El spin es una propiedad cuántica que describe el momento angular intrínseco de una partícula. Al igual que la carga y la masa, es parte de la identidad de una partícula, cuya magnitud es la misma para todas las partículas de un tipo determinado. Pero a diferencia de la carga y la masa, el spin tiene una dirección que puede ser orientada de forma diferente para las partículas individuales de una especie determinada. Las interacciones entre las partículas dentro de los átomos, núcleos y protones dependen fundamentalmente de sus relativas orientaciones del spin, con influencia en una amplia gama de propiedades eléctricas, magnéticas, ópticas, y otras de la materia. Sin embargo, a pesar del hecho de que el spin del protón se utiliza en aplicaciones cotidianas, como la resonancia magnética (IRM), exactamente cómo - y cuánto - las partículas individuales que componen los protones contribuyen al spin sigue siendo un misterio.
la ilustración muestra la nueva medición usando bosones W producidos en las colisiones de protones polarizados en el RHIC.Las colisiones de protones polarizados (haz que entra desde la izquierda) y protones no-polarizados (haz que entra por la derecha) resulta en la producción de bosones W(en este caso W-).Los detectores del RHIC identifican las partículas emitidas cuando el bosón W se desintegra(en este caso e-) y los ángulos en los cuales ellos emergen.Las flechas coloreadas representan las diferentes direcciones posibles las cuales prueban como diferentes sabores de quarks ( en este caso "anti-up", ū; and “down,” d ) contribuyen al spin del protón.
Los científicos saben que los quarks dentro de un protón tienen cada uno su spin intrínseco. Sin embargo, numerosos experimentos han confirmado que una preferencia direccional entre todos estos spines de los quarks pueden dar cuenta de sólo el 25 por ciento del spin total del protón. El RHIC,fué construido con la posibilidad de colisionar protones polarizados - protones, cuyo spin podría ser alineado de forma controlada - para que los científicos pudieran probar otros factores que podrían explicar el spin "faltante". Gran parte de los equipos necesarios para realizar esta capacidad única fueron proporcionados por el Instituto de Investigación de Física y Química de Japón RIKEN , cuyos investigadores forman una parte fundamental de las colaboraciones internacionales que llevan a cabo este trabajo.
Después de comenzar colisiones de protones polarizados en el RHIC a finales del 2001, el primer lugar en el cual los científicos buscaron por el spin faltante fueron los gluones, las partículas que unen a los quarks de un protón, a través de la fuerza fuerte.
"El impacto hasta ahora ha sido que no hemos encontrado gluones llevando gran parte del spin ", dijo el portavoz de PHENIX Barbara Jacak, un físico de la Universidad Stony Brook. Las mediciones del detector STAR están de acuerdo. Después de varios intentos con protones polarizado a energías diferentes, los datos del RHIC sugieren, con una mayor seguridad que los gluones contribuyen mucho menos de lo que se especuló al spin del protón, por lo que la fuente del spin sigue siendo un misterio.
Los científicos reconocen que no han sido capaces de mirar a todos los gluones, en particular los que llevan pequeñas fracciones del momento total del protón. "Es parecido a buscar unas llaves desaparecidas bajo un estrecho foco de una lámpara de calle, y nos gustaría una lámpara con una mayor iluminación", dijo Jacak.
Pero a medida que continúen trabajando en esa parte del rompecabezas, también tendrán una nueva manera de observar el spin.
Gracias a nuevas técnicas de detección y la capacidad de llevar a cabo colisiones de protones polarizados a muy altas energías - 500 GeV, o 500 mil millones de electrón-voltios –los científicos del RHIC, tanto del PHENIX como del STAR son capaces de sondear directamente las contribuciones de polarización de los diferentes sabores de quarks ( conocidos por los nombres de "up" y "down" ) dentro de los protones por primera vez.
"Todas las medidas anteriores que trataban de separar las contribuciones de los spin de los quarks de acuerdo al sabor se hacían indirectamente, y se veía sobre todo la contribución de los tres principales, o de valencia, los quarks del protón," dijo Bernd Surrow, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts y portavoz adjunto del STAR. "Este nuevo método de medición de los bosones W nos da acceso directo a los quarks conocidos como un" mar de quarks ', los cuales guiñan dentro y fuera de la existencia como gluones que se dividen y reforman dentro de los protones. "
El mar de quarks siempre se produce en parejas de quark /antiquark y tiene tiempos de vida extremadamente corto. Pero en las muy altas energías de colisiones de haces de protones alcanzadas en el RHIC, estos quarks y antiquarks fugaces pueden chocar, o interactuar, produciendo bosones W relativamente pesados. Hasta ahora, los experimentos del RHIC han detectado bosones W mediante la búsqueda de electrones y positrones que se forman cuando el bosón W decae. La carga de los productos de desintegración - sea electrones o positrones - reflejan directamente la carga del bosón W, que a su vez dice que sabor de antiquarks estuvieron involucrados en la colisión - sea el anti-up o el anti-down.
Al comparar el número de bosones W producidos cuando los racimos de protones que chocan en el RHIC están polarizados en la dirección del movimiento del haz con el número que se produce cuando los protones se polarizan en la dirección opuesta, los científicos pueden medir directamente el grado en el que el spin del antiquark apunta en una dirección preferida con respecto al spin total del protón.Esta técnica de medición robusta se basa en una propiedad fundamental, y muy bien entendida, de la interacción débil por la cual los bosones W son producidos, es decir, la violación extrema de simetría especular.
"La observación de este efecto extremo en las interacciones débiles por primera vez en las colisiones protón-protón polarizadas en el RHIC es en sí misma un hito importante", dijo Hideto En'yo, director del Nishina Center for Accelerator-Based Science del RIKEN el cual estableció el Centro de Investigación RIKEN -BNL (RBRC) para nutrir una nueva generación de físicos interesados en el estudio de la fuerza nuclear fuerte y la física del spin en el RHIC. "Es gratificante ver que nuestras grandes inversiones en equipos de polarización da resultados con tan grandes e interpretables efectos del spin."
"Se podría pensar que se obtendría el mismo número de quarks anti-up y anti-down dentro de un protón. Pero los experimentos anteriores han demostrado que son muy diferentes ", dijo Surrow. "Eso significa que hay mucha incertidumbre sobre el mecanismo subyacente de cómo este "mar de quarks" emerge dentro y fuera de la existencia. También indica que los diferentes sabores se pueden comportar de forma diferente en cuanto a la forma en que contribuyen al spin. "
Añade Jacak, "La comprensión de estas diferencias por sí sola no resolverá el misterio del spin, pero nos dará una idea más clara de una sola pieza del rompecabezas, la contribución del mar de quarks."
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fuente de la información:
http://www.physorg.com/news/2011-02-unique-probe-proton-relativistic-heavy.html
