Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

All'interno di ogni atomo, protoni e neutroni formano il nucleo denso della materia, eppure non sono sfere solide e immutabili. Al contrario, sono fasci dinamici di particelle più piccole chiamate quark e gluoni, in costante movimento. Per decenni, i fisici hanno compreso che lo spin del protone — il modo in cui ruota come una trottola — non è solo la somma degli spin dei suoi tre quark principali. Una parte significativa di questo spin deriva dal moto orbitale di questi quark mentre sfrecciano all'interno del protone, e dai gluoni che li tengono uniti. Per mappare questo invisibile paesaggio interno, gli scienziati utilizzano collisioni ad alta energia per sondare la struttura del protone. Uno degli strumenti più potenti per questo è un processo in cui due adroni, come protoni o pioni, si scontrano per creare una coppia di muoni, che sono i pesanti cugini dell'elettrone. Studiando come questi muoni si separano, i ricercatori possono ricostruire il comportamento dei quark che li hanno creati, rivelando dettagli su come lo spin del protone sia assemblato.

Una recente presentazione di Wen-Chen Chang a un simposio internazionale sulla fisica dello spin esamina come questo processo di collisione, noto come processo Drell-Yan, venga utilizzato per testare la nostra comprensione di questi moti interni. Il lavoro si concentra su due modi specifici in cui i quark si muovono: il loro momento trasverso, che descrive come si muovono lateralmente rispetto alla direzione del protone, e la loro correlazione con lo spin del protone. In termini più semplici, gli scienziati cercano modelli che mostrino se il movimento laterale di un quark sia legato alla direzione in cui il protone sta ruotando. Questo è cruciale perché una teoria fondamentale della fisica prevede che la relazione tra spin e movimento laterale debba invertire il segno a seconda che la collisione avvenga in un ambiente "space-like" (tipo spazio) o "time-like" (tipo tempo). Mentre esperimenti precedenti utilizzando fasci di elettroni avevano confermato questo ribaltamento per un tipo di moto, il processo Drell-Yan offre un modo unico per verificare se questa regola valga anche per altri tipi di moto e per vedere se le stesse regole si applichino quando i protoni vengono colpiti da altre particelle, come i pioni.

La presentazione evidenzia recenti scoperte riguardanti la funzione di Boer-Mulders, una descrizione matematica di come i quark e i gluoni siano correlati con lo spin del protone. Analizzando i dati provenienti da esperimenti passati in cui fasci di pioni colpivano bersagli di tungsteno, i ricercatori hanno confrontato i modelli osservati delle coppie di muoni con complessi calcoli informatici basati sulla teoria quantistica standard. I risultati hanno mostrato che, sebbene la teoria standard potesse spiegare parte dei dati, non poteva spiegare tutto da sola. Nello specifico, i dati hanno rivelato un modello distinto negli angoli da cui emergevano i muoni che deviava dalle pure previsioni teoriche. Questa deviazione suggerisce la presenza dell'effetto Boer-Mulders. Inoltre, combinando queste nuove scoperte con i risultati precedenti degli esperimenti di scattering elettronico, l'evidenza supporta fortemente l'idea che la correlazione tra il moto dei quark e lo spin inverta la direzione tra i due diversi tipi di collisione. Questa conferma è un passo vitale per dimostrare che le leggi che governano l'interno del protone sono universali, indipendentemente da come la sonda venga sparata contro di esso.

Oltre a queste scoperte confermate, l'articolo guarda verso una nuova frontiera: l'uso del processo Drell-Yan per studiare le distribuzioni partoniche generalizzate. Queste sono mappe più complesse che descrivono non solo come si muovono i quark, ma anche dove si trovano all'interno del protone. Sebbene queste mappe siano state parzialmente disegnate utilizzando fasci di elettroni, l'articolo propone un metodo innovativo per completare il quadro utilizzando fasci di poni presso la struttura J-PARC in Giappone. I ricercatori hanno progettato un piano per sparare pioni ad alta energia contro i protoni e cercare un evento molto specifico e raro in cui un pione e un protone collidono per produrre un fotone virtuale che decade immediatamente in una coppia di muoni, lasciando il protone intatto ma trasformato in un neutrone. Questa è una misurazione estremamente difficile perché il segnale è minuscolo rispetto al rumore di fondo delle altre collisioni. Tuttavia, simulazioni dettagliate suggeriscono che, con una linea di fascio dedicata e una specifica configurazione di rilevamento, sia possibile isolare questi rari eventi. Le simulazioni indicano che l'esecuzione dell'esperimento per circa 50 giorni con un fascio di pioni da 15 GeV genererebbe abbastanza dati da distinguere tra diversi modelli teorici della struttura interna del protone.

Il percorso verso questa nuova misurazione prevede una costruzione in fasi di una linea di fasci di pioni ad alto impulso a J-PARC. Test precoci hanno già identificato con successo le particelle secondarie necessarie per l'esperimento, confermando che l'intensità del fascio corrisponde alle previsioni. In caso di successo, questo esperimento fornirà il primo sguardo diretto sulla struttura del protone attraverso un processo time-like utilizzando fasci di adroni, offrendo una visione complementare alle visioni space-like ottenute dallo scattering elettronico. Verificando che le stesse leggi sottostanti si applichino in questi diversi ambienti di collisione, i fisici sperano di finalizzare un quadro tridimensionale completo del nucleone. Questo lavoro non si limita a colmare i dati mancanti; esso testa rigorosamente le simmetrie fondamentali della natura, assicurando che la nostra comprensione di come la materia sia costruita rimanga valida attraverso i diversi modi in cui scegliamo di esaminarla.