Bandoma suprasti protono sukinio prigimtį

„Sukinio paslapties nagrinėjimas yra vienas kertinių mokslinių greitintuvo tikslų, - pasakė Stivenas Vigdoras, kuris yra Brukhaveno asocijuotos laboratorijos direktorius. - Kaip daugelis mokslinių paslapčių, ši darosi vis sudėtingesnė, kai mes ją vis daugiau nagrinėjame ir vis daugiau sužinome. W bozonų matavimai tapo įmanomi naudojant naują įdiegtą detektavimo metodą, kurio viena iš savybių yra protono sukinio orientacijos nustatymas. Tai leis mums tirti duomenis, kurie anksčiau buvo neprieinami. Mes galėsime priartėti prie kiekybinio protono sukinio struktūros ir dinamikos paaiškinimo“.

Sukinys yra kvantinė savybė, kuri aprašo dalelės vidinį kampinį momentą. Kaip krūvis ir masė, tai yra viena iš dalelės charakteristikų, kuri yra vienoda tos pačios rūšies dalelėms. Tačiau skirtingai nei krūvis ar masė, sukinys turi kryptį, kaip ir žemės magnetinis laukas, ir ši kryptis gali būti orientuota erdvėje skirtingai tos pačios rūšies dalelėms. Atomų, branduolių ir protonų viduje esančių dalelių sąveika stipriai priklauso nuo tarpusavio sukinio orientacijos. Ši sąveika įtakoja elektrines, magnetines, optines ir kitas dalelių savybes. Nepaisant to, kad protono sukinys yra naudojamas vos ne kasdieniniuose prietaisuose, tokiuose kaip magnetinio rezonanso tyrimai, individualių dalelių, kurios sudaro protoną, įtaka sukiniui nėra aiški.

Mokslininkai žino, kad kvarkai, kurie yra protonų sudedamosios dalys, patys turi sukinius. Įvairūs eksperimentai rodo, kad kvarkų sukinių kryptinė orientacija tesudaro apie dvidešimt penkis procentus pilno protono sukinio. Greitintuve galima paruošti poliarizuotus protonus, tai yra turinčius tam tikrą sukinį. Todėl mokslininkai gali nagrinėti kitus faktorius, kurie galbūt įtakoja trūkstamą indėlį į bendrą protono sukinį.

Dar 2001 metais, tyrinėdami poliarizuotų protonų susidūrimus, mokslininkai atkreipė dėmesį į gliuonus, tai yra daleles, kurios laiko protonų kvarkus kartu, sudarydamos stipriąją sąveiką. „Keisčiausia, kad mes nenustatėme, kad gliuonai perneštų sukinį, - pasakė Stony Brook universiteto fizikė Barbara Jacak. Po daugelio tyrimų, atliktų su įvairiomis poliarizuotų protonų energijomis, prieita tvirta išvada, kad gliuonų svarba protono sukiniui yra žymiai mažesnė, nei buvo spėjama pradžioje. Vadinasi, protono sukinio mįslė liko neįminta.

Mokslininkai pripažįsta, kad jie negalėjo stebėti visų gliuonų, ypač tų, kurių indėlis į protono kampinį momentą buvo nežymus. „Tai panašu į tai, kaip sunku rasti pamestą raktą prie gatvės žibinto šviesos, kuri apima tik mažą paviršiaus plotelį. Tam paprasčiausiai reikia didelės lempos su plačiu apšvietimo kampu“, - pasakė Jacak.

Tęsdami savo darbą šioje dėlionės dalyje, jie taip pat galėjo nagrinėti sukinį kitu metodu. Naudodami naują detektavimo techniką bei stebėdami poliarizuotų labai aukštų energijų (50 GeV) protonų susidūrimus, Brukhaveno laboratorijos mokslininkai galėjo pirmą kartą nagrinėti poliarizacijos įtaką, ateinančią iš skirtingą aromatinį kvantinį skaičių turinčių kvarkų. Protono viduje išskirti kvarkai su kylančiuoju (up) ir krentančiuoju (down) aromatais.

„Visi ankstesni matavimai, kuriuose buvo bandoma atskirti kvarkų sukinių indėlį pagal aromatinį kvantinį skaičių, rėmėsi netiesioginiais stebėjimais. Svarbiausias dėmesys tuose matavimuose buvo skiriamas pagrindiniams, tai yra valentiniams, kvarkams protonuose, - sakė Berndas Surovas (Bernd Surrow), Masačiusetso technologijų universiteto fizikas. - Naujasis W bozonų matavimo metodas leidžia mums tiesiai prieiti prie kvarkų, vadinamų kvarkų jūra, kurie pasirodo ir dingsta gliuonams suskylant ir persigrupuojant protono viduje“.

Kvarkų jūros dalelės visada pasirodo kvarko ir antikvarko porose ir pasižymi ypatingai maža gyvavimo trukme. Tačiau, naudojant labai dideles energijas, šie trumpalaikiai kvarkai ir antikvarkai gali susidurti arba sąveikauti ir todėl pagaminti santykinai sunkius W bozonus.

Greitintuve atliktuose eksperimentuose buvo registruoti W bozonai stebint elektronų ir pozitronų (teigiamai įelektrintų elektronų, elektronų antidalelių) pasirodymą. Elektronai ir pozitronai pasirodo skylant W bozonams. Skilimo produktų krūvis (tai yra kas stebimi – ar elektronai, ar pozitronai) rodo ir W bozonų krūvį. W bozonų krūvis pasako, kokio aromatinio kvantinio skaičiaus antikvarkai dalyvavo susidūrime.

Lygindami W bozonų skaičių, kai eksperimente protonų sukiniai sutapo su judėjimo kryptimi, su skaičiumi, kai protonų sukiniai buvo priešingos krypties, mokslininkai gali nustatyti, kokia antikvarkų sukinių dalis sutapo su protono sukiniu. Šis matavimų metodas yra paremtas fundamentine ir gerai suprantama silpnosios sąveikos, kuri yra atsakinga už W bozonų atsiradimą, savybe – veidrodinės simetrijos pažeidimu.

Šios silpnosios sąveikos efekto stebėjimas poliarizuotų protonų susidūrimuose jau yra didelis pasiekimas.

„Jūs galite manyti, kad gausite vienodą kylančiojo ir krentančiojo aromato antikvarkų skaičių protone. Ankstesni eksperimentai parodė, kad jų dalis labai skiriasi, - pasakė Surovas. - Tai reiškia, kad yra dar daug neaiškumų bandant aiškinti kvarkų jūros veikimo mechainizmą. Tai taip pat rodo, kad skirtingo aromatinio kvantinio skaičiaus kvarkų indėlis į sukinį gali būti skirtingas“.

Jacak pridėjo, kad šio indėlio supratimas neleistų paaiškinti protono sukinio paslapties, bet padėtų mums geriau suprasti vienos dalies visoje dėlionėje svarbą – kvarkų jūrą.