Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

Dentro de cada átomo, los protones y los neutrones forman el núcleo denso de la materia, pero no son esferas sólidas e inalterables. En su lugar, son paquetes dinámicos de partículas más pequeñas llamadas quarks y gluones, en constante movimiento. Durante décadas, los físicos han comprendido que el espín de un protón —la forma en que rota como un trompo— no es solo la suma de los espines de sus tres quarks principales. Una parte significativa de este espín proviene del movimiento orbital de estos quarks mientras se desplazan rápidamente dentro del protón, y de los gluones que los mantienen unidos. Para mapear este paisaje interno invisible, los científicos utilizan colisiones de alta energía para sondear la estructura del protón. Una de las herramientas más poderosas para esto es un proceso en el que dos hadrones, como protones o piones, chocan entre sí para crear un par de muones, que son primos pesados del electrón. Al estudiar cómo estos muones salen disparados, los investigadores pueden reconstruir el comportamiento de los quarks que los crearon, revelando detalles sobre cómo se ensambla el espín del protón.

Una reciente presentación de Wen-Chen Chang en un simposio internacional sobre física de espín revisa cómo este proceso de colisión, conocido como el proceso Drell-Yan, se está utilizando para probar nuestra comprensión de estos movimientos internos. El trabajo se centra en dos formas específicas en que se mueven los quarks: su momento transversal, que describe cómo se mueven de lado a lado con respecto a la dirección del protón, y su correlación con el espín del protón. En términos más simples, los científicos buscan patrones que muestren si el movimiento lateral de un quark está vinculado a la dirección en la que el protón está girando. Esto es crucial porque una teoría fundamental de la física predice que la relación entre el espín y el movimiento lateral debería invertir su signo dependiendo de si la colisión ocurre en un entorno "espacio-tipo" o "tiempo-tipo". Si bien experimentos previos utilizando haces de electrones habían confirmado este cambio para un tipo de movimiento, el proceso Drell-Yan ofrece una forma única de verificar si esta regla se cumple para otros tipos de movimiento y de ver si las mismas reglas se aplican cuando los protones son impactados por otras partículas, como los piones.

La presentación destaca hallazgos recientes relacionados con la función de Boer-Mulders, una descripción matemática de cómo los quarks y los gluones están correlacionados con el espín del protón. Al analizar datos de experimentos pasados donde haces de piones impactaron contra blancos de tungsteno, los investigadores compararon los patrones observados de pares de muones contra complejos cálculos computacionales basados en la teoría cuántica estándar. Los resultados mostraron que, si bien la teoría estándar podía explicar parte de los datos, no podía explicarlo todo por sí sola. Específicamente, los datos revelaron un patrón distintivo en los ángulos en los que emergieron los muones que se desviaba de las predicciones de la teoría pura. Esta desviación sugiere la presencia del efecto Boer-Mulders. Además, al combinar estos nuevos hallazgos con resultados anteriores de experimentos de dispersión de electrones, la evidencia apoya fuertemente la idea de que la correlación entre el movimiento de los quarks y el espín se invierte de dirección entre los dos tipos diferentes de colisiones. Esta confirmación es un paso vital para probar que las leyes que gobiernan el interior del protón son universales, independientemente de cómo se dispare la sonda hacia él.

Más allá de estos hallazgos confirmados, el artículo mira hacia una nueva frontera: el uso del proceso Drell-Yan para estudiar distribuciones de partones generalizadas. Estos son mapas más complejos que describen no solo cómo se mueven los quarks, sino también dónde se encuentran ubicados dentro del protón. Aunque estos mapas se han dibujado parcialmente utilizando haces de electrones, el artículo propone un método novedoso para completar la imagen utilizando haces de piones en la instalación J-PARC en Japón. Los investigadores han diseñado un plan para disparar piones de alta energía contra protones y buscar un evento muy específico y raro donde un pion y un protón colisionan para producir un fotón virtual que decae inmediatamente en un par de muones, dejando al protón intacto pero transformado en un neutrón. Esta es una medición extremadamente difícil porque la señal es minúscula en comparación con el ruido de fondo de otras colisiones. Sin embargo, simulaciones detalladas sugieren que, con una línea de haz dedicada y una configuración de detector específica, es posible aislar estos eventos raros. Las simulaciones indican que realizar el experimento durante unos 50 días con un haz de piones de 15 GeV generaría suficientes datos para distinguir entre diferentes modelos teóricos de la estructura interna del protón.

El camino hacia esta nueva medición implica una construcción por fases de una línea de haz de piones de alto momento en J-PARC. Pruebas tempranas ya han identificado con éxito las partículas secundarias necesarias para el experimento, confirmando que la intensidad del haz coincide con las predicciones. Si tiene éxito, este experimento proporcionará la primera mirada directa a la estructura del protón a través de un proceso tiempo-tipo utilizando haces de hadrones, ofreciendo una visión complementaria a las vistas espacio-tipo obtenidas mediante la dispersión de electrones. Al verificar que las mismas reglas subyacentes se aplican en estos diferentes entornos de colisión, los físicos esperan finalizar una imagen tridimensional completa del nucleón. Este trabajo no solo llena datos faltantes; pone a prueba rigurosamente las simetrías fundamentales de la naturaleza, asegurando que nuestra comprensión de cómo se construye la materia sea válida a través de las diferentes formas en que elegimos examinarla.