Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

داخل كل ذرة، تشكل البروتونات والنيوترونات النواة الكثيفة للمادة، ومع ذلك فهي ليست كرات صلبة وثابتة. بدلاً من ذلك، هي حزم ديناميكية من جسيمات أصغر تسمى الكواركات والغلونات، وهي في حركة مستمرة. لعقود من الزمن، فهم الفيزيائيون أن لف (spin) البروتون — الطريقة التي يدور بها مثل البلبل — ليس مجرد مجموع لف الكواركات الثلاثة الرئيسية؛ إذ يأتي جزء كبير من هذا اللف من الحركة المدارية لهذه الكواركات أثناء انطلاقها السريع داخل البروتون، ومن الغلونات التي تمسكها معاً. ولرسم خريطة لهذا المشهد الداخلي غير المرئي، يستخدم العلماء تصادمات عالية الطاقة لسبر بنية البروتون. وتعد إحدى أقوى الأدوات لهذا الغرض هي عملية يصطدم فيها هادرونان، مثل البروتونات أو البيونات، لإنتاج زوج من الميونات، وهي "أبناء عمومة" ثقيلة للإلكترون. ومن خلال دراسة كيفية تطاير هذه الميونات بعيداً عن بعضها البعض، يمكن للباحثين إعادة بناء سلوك الكواركات التي أوجدتها، مما يكشف عن تفاصيل حول كيفية تجميع لف البروتون.

تستعرض عرض تقديمي حديث قدمه ون-تشن تشانغ في ندوة دولية حول فيزياء اللف، كيف يتم استخدام عملية التصادم هذه، المعروفة باسم عملية "دريل-يان" (Drell-Yan)، لاختبار فهمنا لهذه الحركات الداخلية. يركز العمل على طريقتين محددتين لحركة الكواركات: زخمها المستعرض، الذي يصف كيفية تحركها جانباً بالنسبة لاتجاه البروتون، وارتباطها بلف البروتون. وبتعبير أبسط، يبحث العلماء عن أنماط تظهر ما إذا كانت الحركة الجانبية للكوارك مرتبطة بالاتجاه الذي يدور فيه البروتون. وهذا أمر بالغ الأهمية لأن نظرية أساسية في الفيزياء تتنبأ بأن العلاقة بين اللف والحركة الجانبية يجب أن تعكس إشارتها اعتماداً على ما إذا كان التصادم يحدث في بيئة "مكانية" (space-like) أو "زمانية" (time-like). وبينما أكدت تجارب سابقة باستخدام حزم الإلكترونات هذا الانعكاس لنوع واحد من الحركة، فإن عملية "دريل-يان" توفر طريقة فريدة للتحقق مما إذا كانت هذه القاعدة تنطبق على أنواع أخرى من الحركة، ولرؤية ما إذا كانت القواعد نفسها تنطبق عندما تُضرب البروتونات بجسيمات أخرى، مثل البيونات.

يسلط العرض التقديمي الضوء على النتائج الأخيرة المتعلقة بـ "دالة بور-مولدرز" (Boer-Mulders function)، وهي وصف رياضي لكيفية ارتباط الكواركات والغلونات بلف البروتون. ومن خلال تحليل البيانات من تجارب سابقة حيث اصطدمت حزم البيونات بأهداف من التنغستن، قارن الباحثون الأنماط المرصودة لأزواج الميونات بالحسابات الحاسوبية المعقدة القائمة على نظرية الكم القياسية. وأظهرت النتتائج أنه بينما استطاعت النظرية القياسية تفسير بعض البيانات، إلا أنها لم تستطع تفسير كل شيء بمفردها. وتحديداً، كشفت البيانات عن نمط متميز في الزوايا التي برزت منها الميونات، وهو ما انحرف عن تنبؤات النظرية الصرفة. يشير هذا الانحراف إلى وجود تأثير "بور-مولدرز". علاوة على ذلك، عند دمج هذه النتائج الجديدة مع النتائج السابقة من تجارب تشتت الإلكترونات، يدعم الدليل بقوة فكرة أن الارتباط بين حركة الكرارك ولفها يعكس اتجاهه بين نوعي التصادم المختلفين. ويعد هذا التأكيد خطوة حيوية لإثبات أن القوانين التي تحكم داخل البروتون عالمية، بغض النظر عن الطريقة التي يُطلق بها المسبار تجاهه.

وبعيداً عن هذه النتائج المؤكدة، يتطلع البحث إلى أفق جديد: استخدام عملية "دريل-يان" لدراسة "توزيعات الجزء الممتدة" (generalized parton distributions). وهذه هي خرائط أكثر تعقيداً لا تصف فقط كيفية حركة الكواركات، بل وأيضاً أين تقع داخل البروتون. وبينما تم رسم هذه الخرائط جزئياً باستخدام حزم الإلكترونات، يقترح البحث طريقة مبتكرة لإكمال الصورة باستخدام حزم البيونات في منشأة "جاي-بارك" (J-PARC) في اليابان. وقد صمم الباحثون خطة لإطلاق بيونات عالية الطاقة نحو البروتونات والبحث عن حدث نادر جداً، حيث يصطدم بيون وبروتون لإنتاج فوتون افتراضي يتحلل فوراً إلى زوج من الميونات، تاركاً البروتون سليماً ولكنه متحول إلى نيوترون. إنها عملية قياس صعبة للغاية لأن الإشارة ضئيلة جداً مقارنة بضجيج الخلفية الناتج عن التصادمات الأخرى. ومع ذلك، تشير المحاكاة التفصيلية إلى أنه من خلال خط حزمة مخصص وإعداد كاشف محدد، من الممكن عزل هذه الأحداث النادرة. وتشير عمليات المحاكاة إلى أن تشغيل التجربة لمدة 50 يوماً تقريباً باستخدام حزمة بيونات بطاقة 15 جيجا إلكترون فولت كفيل بتوليد بيانات كافية للتمييز بين النماذج النظرية المختلفة للبنية الداخلية للبروتون.

يتضمن المسار نحو هذا القياس الجديد بناءً مرحلياً لخط حزمة بيونات عالي الزخم في "جاي-بارك". وقد نجحت الاختبارات المبكرة بالفعل في تحديد الجسيمات الثانوية اللازمة للتجربة، مما يؤكد أن شدة الحزمة تطابق التوقعات. وإذا نجحت، فستقدم هذه التجربة أول نظرة مباشرة إلى بنية البروتون من خلال عملية "زمانية" باستخدام حزم الهادرونات، مما يوفر رؤية مكملة للرؤى "المكانية" التي يتم الحصول عليها من تشتت الإلكترونات. ومن خلال التحقق من أن نفس القواعد الأساسية تنطبق في بيئات التصادم المختلفة هذه، يأمل الفيزيائيون في وضع صورة ثلاثية الأبعاد شاملة للنيوكليون. إن هذا العمل لا يملأ البيانات المفقودة فحسب، بل يختبر بصرامة التماثلات الأساسية للطبيعة، مما يضمن أن فهمنا لكيفية بناء المادة يظل صحيحاً عبر الطرق المختلفة التي نختار بها فحصها.