Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

Binnen elk atoom vormen protonen en neutronen de dichte kern van materie, maar ze zijn geen solide, onveranderlijke sferen. In plaats daarvan zijn het dynamische bundels van kleinere deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd, die constant in beweging zijn. Decennialang hebben natuurkundigen begrepen dat de spin van een proton — de manier waarop het draait als een tol — niet alleen de som is van de spins van zijn drie belangrijkste quarks. Een aanzienlijk deel van deze spin komt voort uit de orbitale beweging van deze quarks terwijl ze binnen het proton rondjes razen, en van de gluonen die hen bij elkaar houden. Om dit onzichtbare interne landschap in kaart te brengen, gebruiken wetenschappers botsingen met hoge energie om de structuur van het proton te onderzoeken. Een van de krachtigste instrumenten hiervoor is een proces waarbij twee hadronen, zoals protonen of pionen, tegen elkaar botsen om een paar muonen te creëren, de zware neven van het elektron. Door te bestuderen hoe deze muonen uiteenvliegen, kunnen onderzoekers het gedrag van de quarks die hen creëerden reconstrueren, wat details onthult over hoe de spin van het proton wordt samengesteld.

Een recente presentatie door Wen-Chen Chang op een internationaal symposium over spin-fysica beoordeelt hoe dit botsingsproces, bekend als het Drell-Yan-proces, wordt gebruikt om ons begrip van deze interne bewegingen te testen. Het werk richt zich op twee specifieke manieren waarop quarks bewegen: hun transversale impuls, die beschrijft hoe ze zich zijwaarts bewegen ten opzichte van de richting van het proton, en hun correlatie met de spin van het proton. In eenvoudiger termen zoeken wetenschappers naar patronen die laten zien of de zijwaartse beweging van een quark verbonden is met de richting waarin het proton draait. Dit is cruciaal omdat een fundamentele theorie in de natuurkunde voorspelt dat de relatie tussen spin en zijwaartse beweging van teken wisselt, afhankelijk van of de botsing plaatsvindt in een "space-like" of "time-like" omgeving. Hoewel eerdere experimenten met elektronenbundels dit tekenwisselen voor één type beweging hadden bevestigd, biedt het Drell-Yan-proces een unieke manier om te controleren of deze regel ook geldt voor andere soorten beweging en om te zien of dezelfde regels van toepassing zijn wanneer protonen worden geraakt door andere deeltjes, zoals pionen.

De presentatie belicht recente bevindingen met betrekking tot de Boer-Mulders-functie, een wiskundige beschrijving van hoe quarks en gluonen gecorreleerd zijn met de spin van het proton. Door gegevens te analyseren van eerdere experimenten waarbij pionenbundels wolfraamdoelen raakten, vergeleken onderzoekers de geobserveerde patronen van muonparen met complexe computerberekeningen gebaseerd op de standaard kwantumtheorie. De resultaten lieten zien dat de standaardtheorie weliswaar een deel van de gegevens kon verklaren, maar niet alles op zichzelf kon verklaren. Specifiek onthielden de gegevens een duidelijk patroon in de hoeken waaronder de muonen ontstonden, dat afweek van de zuivere theoretische voorspellingen. Deze afwijking suggereert de aanwezigheid van het Boer-Mulders-effect. Bovendien ondersteunt het combineren van deze nieuwe bevindingen met eerdere resultaten uit elektronenverstrooiingsexperimenten de gedachte sterk dat de correlatie tussen quarkbeweging en spin van richting verandert tussen de twee verschillende soorten botsingen. Deze bevestiging is een vitale stap in het bewijzen dat de wetten die het binnenste van het proton beheersen universeel zijn, ongeacht hoe de sonde erop wordt afgevuurd.

Voorbij deze bevestigde bevindingen kijkt het artikel vooruit naar een nieuwe grens: het gebruik van het Drell-Yan-proces om gegeneraliseerde partonverdelingen te bestuderen. Dit zijn complexere kaarten die niet alleen beschrijven hoe quarks bewegen, maar ook waar ze zich binnen het proton bevinden. Hoewel deze kaarten gedeeltelijk zijn getekend met elektronenbundels, stelt het artikel een nieuwe methode voor om het beeld te voltooien met behulp van pionenbundels bij de J-PARC faciliteit in Japan. De onderzoekers hebben een plan ontworpen om hoogenergetische pionen op protonen af te vuren en te zoeken naar een zeer specifieke, zeldzame gebeurtenis waarbij een pion en een proton botsen om een virtueel foton te produceren dat onmiddellijk vervalt in een paar muonen, waarbij het proton intact blijft maar verandert in een neutron. Dit is een extreem moeilijke meting omdat het signaal minuscuul is vergeleken met de achtergrondruis van andere botsingen. Echter, gedetailleerde simulaties suggereren dat met een toegewijde beamline en een specifieke detectoropstelling het mogelijk is om deze zeldzame gebeurtenissen te isoleren. De simulaties geven aan dat het uitvoeren van het experiment gedurende ongeveer 50 dagen met een 15-GeV pionenbundel voldoende gegevens zal genereren om te onderscheiden tussen verschillende theoretische modellen van de interne structuur van het proton.

Het pad naar deze nieuwe meting omvat de gefaseerde constructie van een hoog-impuls pionen-beamline bij J-PARC. Vroege tests hebben al succesvol de secundaire deeltjes geïdentificeerd die nodig zijn voor het experiment, waarmee is bevestigd dat de intensiteit van de bundel overeenkomt met de voorspellingen. Indien succesvol, zal dit experiment de eerste directe blik bieden op de structuur van het proton via een time-like proces met hadronenbundels, wat een complementair beeld biedt aan de space-like beelden verkregen door elektronenverstrooiing. Door te verifiëren dat dezelfde onderliggende regels van toepassing zijn in deze verschillende botsingsomgevingen, hopen natuurkundigen een uitgebreid driedimensionaal beeld van het nucleon te voltooien. Dit werk vult niet alleen ontbrekende gegevens aan; het test rigoureus de fundamentele symmetrieën van de natuur, en zorgt ervoor dat ons begrip van hoe materie is opgebouwd standhoudt, ongeacht de manier waarop we ervoor kiezen het te onderzoeken.