Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

In jedem Atom bilden Protonen und Neutronen den dichten Kern der Materie, doch sie sind keine festen, unveränderlichen Kugeln. Stattdessen sind sie dynamische Bündel aus kleineren Teilchen, den Quarks und Gluonen, die sich ständig in Bewegung befinden. Seit Jahrzehnten wissen Physiker, dass der Spin eines Protons – die Art und Weise, wie es sich wie ein Kreisel dreht – nicht nur die Summe der Spins seiner drei Hauptquarks ist. Ein erheblicher Teil dieses Spins stammt aus der Orbitalbewegung dieser Quarks, während sie im Inneren des Protons umherwirbeln, sowie von den Gluonen, die sie zusammenhalten. Um diese unsichtbare interne Landschaft zu kartieren, nutzen Wissenschaftler hochenergetische Kollisionen, um die Struktur des Protons zu untersuchen. Eines der leistungsfähigsten Werkzeuge hierfür ist ein Prozess, bei dem zwei Hadronen, wie etwa Protonen oder Pionen, zusammenprallen und ein Paar Myonen erzeugen, die schwere Cousins des Elektrons sind. Indem Forscher untersuchen, wie diese Myonen auseinanderfliegen, können sie das Verhalten der Quarks rekonstruieren, die sie erzeugt haben, und so Details darüber enthüllen, wie der Spin des Protons zusammengesetzt ist.

Eine aktuelle Präsentation von Wen-Chen Chang auf einem internationalen Symposium über Spinphysik gibt einen Überblick darüber, wie dieser Kollisionsprozess, bekannt als Drell-Yan-Prozess, dazu verwendet wird, unser Verständnis dieser internen Bewegungen zu testen. Die Arbeit konzentriert sich auf zwei spezifische Arten der Quarkbewegung: ihr Transversalimpuls, der beschreibt, wie sie sich seitlich zur Richtung des Protons bewegen, und ihre Korrelation mit dem Spin des Protons. Vereinfacht ausgedrückt suchen Wissenschaftler nach Mustern, die zeigen, ob die Seitwärtsbewegung eines Quarks mit der Drehrichtung des Protons verknüpft ist. Dies ist entscheidend, da eine fundamentale Theorie der Physik vorhersagt, dass sich das Vorzeichen der Beziehung zwischen Spin und Seitwärtsbewegung ändern sollte, je nachdem, ob die Kollision in einer „raumähnlichen“ oder einer „zeitähnlichen“ Umgebung stattfindet. Während frühere Experimente mit Elektronenstrahlen diesen Vorzeichenwechsel für eine Art der Bewegung bestätigt hatten, bietet der Drell-Yan-Prozess eine einzigartige Möglichkeit zu prüfen, ob diese Regel auch für andere Arten der Bewegung gilt und ob dieselben Regeln auch dann gelten, wenn Protonen von anderen Teilchen, wie etwa Pionen, getroffen werden.

Die Präsentation hebt jüngste Erkenntnisse bezüglich der Boer-Mulders-Funktion hervor, einer mathematischen Beschreibung, wie Quarks und Gluonen mit dem Spin des Protons korreliert sind. Durch die Analyse von Daten aus vergangenen Experimenten, bei denen Pionenstrahlen auf Wolframziele trafen, verglichen Forscher die beobachteten Muster der Myonenpaare mit komplexen Computersimulationen auf Basis der Standard-Quantentheorie. Die Ergebnisse zeigten, dass die Standardtheorie zwar einen Teil der Daten erklären konnte, aber nicht alles allein erklären kann. Insbesondere offenbarten die Daten ein deutliches Muster in den Winkeln, unter denen die Myonen austraten, das von den reinen Theorievorhersagen abwich. Diese Abweichung deutet auf das Vorhandensein des Boer-Mulders-Effekts hin. Darüber hinaus stützt die Kombination dieser neuen Erkenntnisse mit früheren Ergebnissen aus Streuexperimenten mit Elektronen die Vorstellung, dass sich die Korrelation zwischen Quarkbewegung und Spin zwischen den beiden verschiedenen Arten von Kollisionen umkehrt. Diese Bestätigung ist ein wichtiger Schritt, um zu beweisen, dass die Gesetze, die den Protoneninneren regeln, universell sind, unabhängig davon, wie die Sonde darauf abgeschossen wird.

Über diese bestätigten Erkenntnisse hinaus blickt das Paper auf eine neue Grenze: die Nutzung des Drell-Yan-Prozesses zur Untersuchung generalisierter Partonverteilungen. Dies sind komplexere Karten, die nicht nur beschreiben, wie sich Quarks bewegen, sondern auch, wo sie sich im Inneren des Protons befinden. Während diese Karten teilweise mithilfe von Elektronenstrahlen gezeichnet wurden, schlägt das Paper eine neuartige Methode vor, um das Bild mithilfe von Pionenstrahlen an der J-PARC-Anlage in Japan zu vervollständigen. Die Forscher haben einen Plan entworfen, um hochenergetische Pionen auf Protonen zu feuern und nach einem sehr spezifischen, seltenen Ereignis zu suchen, bei dem ein Pion und ein Proton kollidieren, um ein virtuelles Photon zu erzeugen, das sofort in ein Myonenpaar zerfällt, wobei das Proton intakt bleibt, sich aber in ein Neutron verwandelt. Dies ist eine extrem schwierige Messung, da das Signal im Vergleich zum Hintergrundrauschen anderer Kollisionen winzig ist. Detaillierte Simulationen deuten jedoch darauf hin, dass es mit einer speziellen Strahlführung und einem spezifischen Detektorsystem möglich ist, diese seltenen Ereignisse zu isolieren. Die Simulationen zeigen, dass ein Betrieb des Experiments für etwa 50 Tage mit einem 15-GeV-Pionenstrahl ausreichen würde, um zwischen verschiedenen theoretischen Modellen der internen Struktur des Protons zu unterscheiden.

Der Weg zu dieser neuen Messung umfasst den phasenweisen Aufbau einer hochenergetischen Pionenstrahlführung bei J-PARC. Frühe Tests haben bereits erfolgreich die für das Experiment benötigten Sekundärteilchen identifiziert und bestätigt, dass die Strahlintensität den Vorhersagen entspricht. Im Erfolgsfall wird dieses Experiment den ersten direkten Blick auf die Struktur des Protons durch einen zeitähnlichen Prozess mittels Hadronenstrahlen ermöglichen und somit eine komplementäre Sichtweise zu den raumähnlichen Ansichten durch Elektronenstreuung bieten. Durch die Verifizierung, dass dieselben zugrunde liegenden Regeln in diesen unterschiedlichen Kollisionsumgebungen gelten, hoffen Physiker, ein umfassendes dreidimensionales Bild des Nukleons zu vervollständigen. Diese Arbeit füllt nicht nur fehlende Datenlücken; sie testet rigoros die fundamentalen Symmetrien der Natur und stellt sicher, dass unser Verständnis davon, wie Materie aufgebaut ist, auch dann Bestand hat, wenn wir sie auf unterschiedliche Weise untersuchen.