Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

Dentro de cada átomo, prótons e nêutrons formam o núcleo denso da matéria, mas eles não são esferas sólidas e imutáveis. Em vez disso, são feixes dinâmicos de partículas menores chamadas quarks e glúons, em constante movimento. Por décadas, os físicos entenderam que o spin de um próton — a maneira como ele gira como um pião — não é apenas a soma dos spins de seus três quarks principais. Uma parte significativa deste spin vem do movimento orbital desses quarks enquanto eles circulam dentro do próton, e dos glúons que os mantêm unidos. Para mapear este cenário interno invisível, os cientistas utilizam colisões de alta energia para sondar a estrutura do próton. Uma das ferramentas mais poderosas para isso é um processo onde dois hádrons, como prótons ou píons, colidem para criar um par de múons, que são primos pesados do elétron. Ao estudar como esses múons se afastam, os pesquisadores podem reconstruir o comportamento dos quarks que os criaram, revelando detalhes sobre como o spin do próton é montado.

Uma apresentação recente de Wen-Chen Chang em um simpósio internacional de física de spin revisa como este processo de colisão, conhecido como processo Drell-Yan, está sendo usado para testar nossa compreensão desses movimentos internos. O trabalho foca em duas maneiras específicas pelas quais os quarks se movem: seu momento transversal, que descreve como eles se movem lateralmente em relação à direção do próton, e sua correlação com o spin do próton. Em termos mais simples, os cientistas estão procurando padrões que mostrem se o movimento lateral de um quark está ligado à direção em que o próton está girando. Isso é crucial porque uma teoria fundamental na física prevê que a relação entre o spin e o movimento lateral deve inverter o sinal dependendo se a colisão ocorre em um ambiente "tipo-espaço" ou "tipo-tempo". Embora experimentos anteriores usando feixes de elétrons tivessem confirmado essa inversão para um tipo de movimento, o processo Drell-Yan oferece uma maneira única de verificar se essa regra se mantém para outros tipos de movimento e de ver se as mesmas regras se aplicam quando prótons são atingidos por outras partículas, como píons.

A apresentação destaca descobertas recentes relativas à função de Boer-Mulders, uma descrição matemática de como quarks e glúons estão correlacionados com o spin do próton. Ao analisar dados de experimentos passados onde feixes de píons atingiram alvos de tungstênio, os pesquisadores compararam os padrões observados de pares de múons contra cálculos computacionais complexos baseados na teoria quântica padrão. Os resultados mostraram que, embora a teoria padrão pudesse explicar parte dos dados, ela não poderia explicar tudo sozinha. Especificamente, os dados revelaram um padrão distinto nos ângulos em que os múons emergiam que desviava das previsões da teoria pura. Esse desvio sugere a presença do efeito Boer-Mulders. Além disso, ao combinar essas novas descobertas com resultados anteriores de experimentos de espalhamento de elétrons, a evidência apoia fortemente a ideia de que a correlação entre o movimento do quark e o spin inverte a direção entre os dois tipos diferentes de colisões. Essa confirmação é um passo vital para provar que as leis que regem o interior do próton são universais, independentemente de como a sonda é disparada contra ele.

Além dessas descobertas confirmadas, o artigo olha para uma nova fronteira: o uso do processo Drell-Yan para estudar distribuições de partons generalizadas. Estas são mapas mais complexos que descrevem não apenas como os quarks se movem, mas também onde eles estão localizados dentro do próton. Embora esses mapas tenham sido parcialmente desenhados usando feixes de elétrons, o artigo propõe um método inovador para completar o quadro usando feixes de píons na instalação J-PARC, no Japão. Os pesquisadores projetaram um plano para disparar píons de alta energia contra prótons e procurar por um evento muito específico e raro, onde um píon e um próton colidem para produzir um fóton virtual que imediatamente decai em um par de múons, deixando o próton intacto, mas transformado em um nêutron. Esta é uma medição extremamente difícil porque o sinal é minúsculo em comparação com o ruído de fundo de outras colisões. No entanto, simulações detalhadas sugerem que, com uma linha de feixe dedicada e uma configuração de detector específica, é possível isolar esses eventos raros. As simulações indicam que rodar o experimento por cerca de 50 dias com um feixe de píons de 15 GeV geraria dados suficientes para distinguir entre diferentes modelos teóricos da estrutura interna do próton.

O caminho para esta nova medição envolve a construção em fases de uma linha de feixe de píons de alto momento no J-PARC. Testes iniciais já identificaram com sucesso as partículas secundárias necessárias para o experimento, confirmando que a intensidade do feixe corresponde às previsões. Se bem-sucedido, este experimento proporcionará o primeiro olhar direto na estrutura do próton através de um processo tipo-tempo usando feixes de hádrons, oferecendo uma visão complementar às visões tipo-espaço obtidas pelo espalhamento de elétrons. Ao verificar que as mesmas regras subjacentes se aplicam nesses diferentes ambientes de colisão, os físicos esperam finalizar uma imagem tridimensional abrangente do núcleon. Este trabalho não apenas preenche dados ausentes; ele testa rigorosamente as simetrias fundamentais da natureza, garantindo que nossa compreensão de como a matéria é construída seja verdadeira através das diferentes maneiras que escolhemos para examiná-la.