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Venerdì, febbraio 3, 2023

Atom Smasher statunitense RHIC rivela una sorprendente preferenza nell'allineamento dello spin delle particelle

DISCLAIMER: Le informazioni e le opinioni riprodotte negli articoli sono quelle di chi le dichiara ed è sotto la propria responsabilità. La pubblicazione su The European Times non significa automaticamente avallo del punto di vista, ma il diritto di esprimerlo.

Nuovi dati mostrano che fluttuazioni locali nella forza forte nucleare possono influenzare l'orientamento dello spin di particelle chiamate mesoni phi (costituite da due quark tenuti insieme dallo scambio di gluoni). Credito: laboratorio nazionale di Brookhaven


I risultati possono indicare un'influenza precedentemente sconosciuta della forza forte e un modo per misurare le sue fluttuazioni locali.

Data la scelta di tre diversi orientamenti di "spin", alcune particelle che emergono dalle collisioni al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), un

atomo
Un atomo è il componente più piccolo di un elemento. È composto da protoni e neutroni all'interno del nucleo e da elettroni che circondano il nucleo.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>atom smasher presso il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), sembra avere una preferenza. Come descritto in un articolo appena pubblicato in Natura dalla collaborazione STAR di RHIC, i risultati rivelano una preferenza nell'allineamento dello spin globale delle particelle chiamate mesoni phi. I meccanismi convenzionali, come l'intensità del campo magnetico o il vortice della materia generata nelle collisioni delle particelle, non possono spiegare i dati. Ma un nuovo modello che includa fluttuazioni locali nella forza nucleare forte può farlo.


“Potrebbe essere che le forti fluttuazioni di forza siano il fattore mancante. In precedenza non ci eravamo resi conto che la forza forte può influenzare lo spin delle particelle in questo modo", ha detto Aihong Tang, un fisico STAR di Brookhaven che è stato coinvolto nell'analisi.

Questa spiegazione è ancora oggetto di dibattito e sono necessarie ulteriori verifiche, affermano i fisici di STAR. Ma se si dimostra vero, “queste misurazioni ci danno un modo per misurare quanto sono grandi le fluttuazioni locali nella forza forte. Forniscono una nuova strada per studiare la forza forte da una prospettiva diversa", ha detto Tang.

Le collisioni di ioni pesanti "sciolgono" i confini dei singoli protoni e neutroni, liberando i quark ei gluoni normalmente confinati all'interno per creare un plasma di quark-gluoni (QGP). Gli scienziati cercano le preferenze di allineamento dello spin tra le particelle che emergono dal QGP tracciando la distribuzione dei loro prodotti di decadimento rispetto a una linea immaginaria tracciata perpendicolarmente al piano di reazione dei nuclei in collisione. Credito: laboratorio nazionale di Brookhaven


Sbloccare la forza forte

Come suggerisce il nome, la forza forte è la più forte delle quattro forze fondamentali in natura. È ciò che tiene insieme i mattoni degli atomi: i protoni e i neutroni che costituiscono i nuclei atomici, così come loro blocchi di costruzione interni, quark e gluoni.

RHIC, una struttura per utenti del DOE Office of Science per la ricerca sulla fisica nucleare, è stata costruita in gran parte in modo che gli scienziati possano studiare questa forza. Lo fanno frantumando insieme i nuclei di atomi pesanti che sfrecciano attorno ai due anelli acceleratori di RHIC in direzioni opposte quasi alla velocità della luce. Le collisioni frontali “fondono” i confini dei singoli protoni e neutroni, liberando i quark e i gluoni normalmente confinati all'interno per creare un quark-gluone

plasma
Il plasma è uno dei quattro stati fondamentali della materia, insieme a solido, liquido e gas. È un gas ionizzato costituito da ioni positivi ed elettroni liberi. Fu descritto per la prima volta dal chimico Irving Langmuir negli anni '1920.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>plasma (QGP). STAR scatta istantanee e raccoglie dati dettagliati sulle particelle che emergono da questi scontri in modo che gli scienziati possano apprendere come interagiscono i quark e i gluoni.

Il monitoraggio di coppie di kaoni caricati positivamente e negativamente (K+, K-) - i prodotti di decadimento dei mesoni phi (Φ) - ha rivelato che questi mesoni sembrano avere una preferenza per uno tra tre possibili stati di spin. Un nuovo modello teorico suggerisce che le fluttuazioni locali nella forza nucleare forte possono spiegare questa preferenza. Credito: laboratorio nazionale di Brookhaven

Decifrare gli allineamenti di spin

Precedenti misurazioni di STAR hanno rivelato che quando i nuclei d'oro si scontrano in modo un po' decentrato, l'impatto di striscio fa girare la zuppa calda di quark e gluoni. Gli scienziati hanno misurato la "vorticità" del plasma vorticoso di quark e gluoni monitorando la sua influenza sugli spin di alcune particelle che emergono dalle collisioni.


Puoi pensare allo spin come simile alla rotazione di un pianeta come la Terra, con i poli nord e sud. Per le particelle in questo studio precedente (iperoni lambda), il grado in cui i loro assi di rotazione si allineano con il momento angolare generato in ogni collisione fuori centro è un proxy diretto per misurare la turbolenza del QGP.

Analisi STAR più recenti hanno cercato di misurare l'allineamento di spin di diversi tipi di particelle, tra cui il phi e il K*0 mesoni riportati nella corrente Natura carta. Per queste particelle, non ci sono solo due orientamenti direzionali per lo spin ("nord" e "sud"), ma tre possibili orientamenti.

Come nello studio precedente, i fisici di STAR hanno misurato l'allineamento di spin di queste particelle tracciando la distribuzione dei loro prodotti di decadimento rispetto alla direzione perpendicolare al piano di reazione dei nuclei in collisione. Per il phi e K*0 mesoni, gli scienziati traducono quelle misurazioni in una probabilità che la particella madre si trovasse in uno dei tre stati di spin.

"Se la probabilità di ciascuno di questi tre stati è pari a un terzo, significa che non c'è preferenza per la particella di trovarsi in uno di questi tre stati di allineamento di spin", ha spiegato il fisico di STAR Xu Sun, un ex borsista post-dottorato all'Università dell'Illinois a Chicago, che recentemente è entrato a far parte dell'Institute of Modern Physics, in Cina, come scienziato del personale.

Questo è essenzialmente ciò che gli scienziati hanno trovato per il K *0 particelle: nessuna preferenza. Ma per i mesoni phi c'era un forte segnale che uno stato era preferito agli altri due.

"In qualche modo la natura ha deciso che i mesoni phi hanno una preferenza nella scelta di uno di questi stati", ha detto Sun.

Spiegare la preferenza

Chensheng Zhou, che ha lavorato con Tang su queste misurazioni dal 2016, a partire da quando era uno studente laureato presso la Fudan University in Cina, ha presentato i risultati preliminari a una conferenza presso la Stony Brook University nel 2017. Quella presentazione ha spinto i teorici a fare vari tentativi di spiegare i risultati con meccanismi convenzionali, tra cui la vorticità, il campo magnetico, la frammentazione e altri. La curiosità ha continuato a crescere quando il collaboratore di STAR Subhash Singha dell'Institute of Modern Physics ha discusso il risultato alle conferenze nel 2019 (quando era postdoc alla Kent State University) e nel 2022.

Nel frattempo, i fisici di STAR controllavano le loro analisi, eseguivano nuove analisi e riducevano l'incertezza dei loro risultati.



"I nostri risultati hanno resistito a questo controllo, e ancora i numeri non tornano", ha detto Tang. Descrivere l'allineamento di spin globale del mesone phi usando solo i meccanismi convenzionali risulterebbe in un valore inferiore a quello che gli scienziati hanno misurato a STAR.

I teorici hanno recentemente avuto l'idea che le fluttuazioni locali nella forza forte all'interno del plasma di quark-gluoni potrebbero guidare l'apparente preferenza per l'allineamento di spin dei mesoni phi. Comprensione delle diverse componenti quark di phi e K*0 i mesoni potrebbero aiutare a spiegare come ciò avvenga e fornire un modo per condurre ulteriori test.

Xin-Nian Wang, un teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, ha spiegato che ogni mesone phi è composto da un quark e un antiquark della stessa famiglia di "sapore" (strano e anti-strano). Gli effetti della forza forte tendono a sommarsi e ad influenzare queste particelle dello stesso sapore nella stessa direzione.

K*0 i mesoni, invece, sono costituiti da coppie quark-antiquark di sapori diversi (down e anti-strano). "Con questa miscela di sapori, la forza forte punta in direzioni diverse, quindi la sua influenza non si manifesterebbe tanto quanto nel mesone phi", ha detto Wang.


Per testare questa idea, i fisici di STAR hanno in programma di studiare l'allineamento di spin globale di un altro mesone fatto di quark della stessa famiglia di sapori: la particella J/psi (fatta di quark charm e anti-charm).

"Questo è nell'elenco delle cose da fare di STAR per le corse RHIC del 2023 e del 2025", ha detto Sun.

Trovare una preferenza di allineamento di spin globale per le particelle J/psi aggiungerebbe supporto alla spiegazione della forza forte. Convaliderebbe anche l'approccio di utilizzare l'allineamento dello spin globale di queste particelle come un modo per studiare le fluttuazioni locali della forza forte nel QGP.

"Anche dopo oltre 22 anni di attività, RHIC continua ad affinare la nostra comprensione della natura sorprendendoci con nuove scoperte", ha affermato Tang.


Riferimento: "Pattern of Global Spin Alignment of f and K*0 Mesons in Heavy-Ion Collisions" 18 gennaio 2023, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-022-05557-5

Ulteriori contributori alle analisi che hanno portato a questi risultati includono: Jinhui Chen (Fudan University), Declan Keane (Kent State University) e Yugang Ma (Fudan University).

Questa ricerca è stata finanziata dal DOE Office of Science (NP), dalla US National Science Foundation e da una serie di organizzazioni e agenzie internazionali elencate nel documento scientifico. Il team STAR ha utilizzato le risorse di calcolo presso lo Scientific Data and Computing Center del Brookhaven Lab, il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) presso il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE e il consorzio Open Science Grid.


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