Pozitif bir gluon spini, ∆g, için güçlü kanıtlar, varsayımlara dayanmadan gözlemsel verileri yeniden incelemek için lattice QCD çerçevesini kullanan benzersiz bir yöntemle sağlanmıştır.
Altatomik alanın karmaşık yapısı, onlarca yıllık araştırmanın konusu olmuştur. Protonun içsel açısal momentinin, yani spininin, kökeni daha zor sorulardan biri olduğunu kanıtlamıştır.
Nükleer bilimcilere göre, protonun içini oluşturan kuarklar ona dönme hareketini kazandıran şeydir. Bu kuarklar, güçlü nükleer kuvveti ileten gluonlar tarafından bir arada tutulur. Bununla birlikte, kuarkların ve gluonların protonun toplam spinine nasıl katkıda bulunduğu hala bilinmemektedir.
Çok uluslu bir bilim insanları grubu büyük bir atılım yaptı. Karmaşık ızgara kuantum kromodinamiği (QCD) ve deneysel bulgulara dayanan son teknoloji simülasyonları kullanarak, bilim insanları gluonların protonun spinini üretmedeki işlevini aydınlatan ikna edici kanıtlar derledi.
Jefferson Lab Açısal Momentum (JAM) işbirliği üyeleri, araştırmanın bulgularını içeren yeni bir yayını Physical Review Letters dergisinde yayımladı. Ekip, QCD’yi kullanarak atom altı parçacıkların iç yapısını inceleyen bilgisayar bilimcileri, deneyciler ve teorisyenlerden oluşmaktadır. Quarklar ve gluonlar arasındaki güçlü kuvvet etkileşimi, QCD teorisi tarafından tanımlanır.
Thomas, “Nathan Isgur yıllar önce Adelaide ve Jefferson Lab’da baş bilim insanı olduğunda, Wally ortak bir pozisyonda bulunuyordu,” dedi. Ve 2004’ten 2009’a kadar Jefferson Lab’da altı yıl boyunca baş bilim insanı olarak görev yaptım. Fizikteki ortaklık devam etti.
Grubun en son çalışması, protonun spin kökeni hakkındaki bilgimizde ilerleme kaydedilmeden önce ele alınması gereken karmaşık bir konuyu ele alıyor: ∆g ne anlama geliyor? Başka bir deyişle, gluonların spini pozitif mi yoksa negatif mi?
Dünyada Bir İlk Olan Verileri Kullanan Yakın Tarihli Bir Çalışma
Jefferson Lab’ın Sürekli Elektron Işın Hızlandırıcı Tesisindeki (CEBAF) ve DOE’nin Brookhaven Ulusal Laboratuvarındaki Relativistik Ağır İyon Çarpıştırıcısındaki (RHIC) programlar gibi çeşitli deneylerden elde edilen eski ve yeni gözlemsel verilere ek olarak, JAM işbirlikçileri sonuçlarını daha önceki analitik çalışmalara dayandırdılar. Bu iki parçacık hızlandırıcısı, uluslararası nükleer fizikçiler tarafından araştırmaları için kullanılan DOE Bilim Ofisi kullanıcı tesisleridir.
Melnitchouk, “Gerçekten de, her şeyin nasıl davranması gerektiğiyle ilgili teorik varsayımları mümkün olduğunca ortadan kaldırmaya çalıştık, bu da analizimizin diğer gruplardan nasıl farklılaştığını gösteriyor.” dedi.
Bu varsayımlardan biri, polarize olmamış parton dağılımlarının olasılık açısından yorumlanması gerektiğiydi. Melnitchouk, protonun içindeki gluonlar, kuarklar ve diğer bileşen parçacıklar için kullanılan kolektif terim olan partonlar hakkındaki bu varsayımın bir “teknik ayrıntı” olduğunu kabul etti.
“Ancak bu, dünya genelindeki diğer grupların önceki analizlerinde varsaydığı bir şey,” diye devam etti. “Ve şimdi bunun gerçekten temel bir sorun olmadığını düşünüyoruz.”
Melnitchouk’a göre, pozitif ∆g’ye işaret eden ilk küresel anlaşma, RHIC’ten elde edilen gözlemsel verilerle kuruldu.
Ancak hem pozitif hem de negatif gluon spiniyi mümkün kılan bir parametre alanı nedeniyle, “daha fazla analiz işleri daha da belirsiz hale getirdi,” dedi.
Ona göre, birkaç yıl önce, JAM işbirlikçileri negatif ∆g’nin hala bir olasılık olduğunu belirten bir çalışma yayınladılar. Çünkü o dönemde uluslararası nükleer fizik topluluğunun yaygın inancına, pozitif bir gluon spinini güçlü bir şekilde destekleyen inanca karşı geliyordu, bu nedenle makale tartışmalara yol açtı.
Bu arada, aynı konuya alternatif bir yaklaşım HadStruc işbirliği tarafından benimsenmişti. Süper bilgisayarlar ve ızgara QCD formülasyonu kullanarak protondaki kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşimleri açıklayan temel QCD teorisini hesaplıyorlardı.
Hunt-Smith’e göre uzay-zaman esasen ayrıklaştırılmıştır. “Uzay-zamanı bir dizi dilime keserek birçok fiziksel özelliği hesaplayabilirsiniz.”
Joe Karpie, Teori Merkezi’nde Nathan Isgur Bursiyeri, yeni ızgara QCD sonuçlarını deneysel verilerle birleştiren daha sonraki bir ortak JAM ve HadStruc işbirliği analizini yürüttü ve bunun alanı daralttığını, ancak yine de negatif Δg’yi kabul ettiğini belirtti.
Hunt-Smith, “Pozitif çözüm biraz daha tercih edildi, ancak yine de istatistiksel olarak anlamlı değildi,” dedi. “Yeni araştırmamız burada işe yarıyor.”
Enerjiye Sahip Parçacıklar, Çalışma İçin Ek Veriler Sağlayabilir
Jefferson Lab’da CEBAF kullanılarak yapılanlar gibi derin-elastik saçılma deneylerinden elde edilen verileri işbirlikçilerinin nasıl kullandığını açıklayarak devam etti.
“Fikir, protonun içindeki çeşitli kuarklar ve gluonlar gibi şeyleri araştırabileceğiniz ve bu şekilde protonun yapısını daha iyi anlayabileceğinizdir,” diye açıkladı. “Bir elektronu alıyorsunuz ve onu bir protona ateşliyorsunuz.”
Hunt-Smith’e göre, JAM ekibi derin-elastik olmayan saçılma testlerinden elde edilen yüksek-x verilerine büyük önem verdi, bu da en önemli bulgulardı. Bu bilgi, elektronun protonun bileşenleriyle çarpışması sonucu son derece yüksek momentum veya çok yüksek enerjiye sahip olduğu gösterilen parçacıklarla ilgilidir. Yüksek-x verilerini dahil etmek için bazı ek teorik değerlendirmelerin gerekli olduğunu belirtti.
O, “Bu nedenle, o teoriyi de dahil ettik.” dedi. O ekstra yüksek-x verilerini dikkate almak için, analizdeki parametre sayısını artırdık ve ardından tekrar gerçekleştirdik. Ana bulgu, negatif klonların önemli ölçüde dezavantajlı olduğu ve yüksek-x verilerini dahil ettikten sonra pozitif ve negatif ∆g replikaları arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark olduğunu keşfettik.
“Hunt-Smith, JAM analizinin ∆g’nin yalnızca derin-elastik saçılmadan elde edilen yüksek-x verileriyle değil, aynı zamanda son HadStruc lattice QCD verileri ve RHIC’teki başka bir proton çarpışma çalışmasından elde edilen polarize-jet deney sonuçlarıyla da kısıtlandığını ortaya koydu,” diye devam etti.
Çalışma, negatif ∆g gluonunun olasılığını büyük ölçüde azaltmasına rağmen, sonuçlar tamamen kesin değildir.
“Başka hiçbir analiz bu Jefferson Lab verilerini kullandığına inanmıyorum.” Bence bu araştırmanın gerçekten önemli bir yönü,” dedi Thomas. “Bu, başka hiç kimsenin erişemediği bu geniş veri setinin kapsamlı bir dünya analizine dahil edildiği ilk sefer.”
Sato’ya göre, JAM makalesi negatif ∆g olasılığını azaltıyor, ancak bu olasılığı tamamen ortadan kaldırmıyor. Ayrıca, kalan teorik varsayımların muhtemelen gelecek olan Elektron-Ion Çarpıştırıcısı veya Jefferson Lab’ın mevcut CEBAF 12 GeV araştırma programı gibi cihazlardan daha fazla gözlemsel kanıtla değiştirilebileceğini belirtti. Brookhaven Ulusal Laboratuvarı ve Jefferson Lab, Brookhaven’de Elektron-Ion Çarpıştırıcısı’nı tasarlayıp inşa etmek için işbirliği yaptı.
“Kapı o zaman tamamen kapanabilir,” dedi. “Ama şu anda o boşluğu dolduruyoruz.”
Kaynak:/spin-secrets-exposed-scientists-unravel-a-decades-old-proton-mystery/
Haberi Derleyen: Yusuf Havvat Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümü