Zagadka spinu nukleonów

Sławomir Jemielity, 2013-12-09, 13:01
kategoria:
Ze świata nauki
Po analizie danych zebranych w CERN nadal nie potrafimy wyjaśnić mechanizmu powstawania jednej z najbardziej podstawowych cech neutronów i protonów: ich wypadkowego spinu - informują fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego.


"Najnowsza analiza danych, zebranych w CERN dzięki pomiarom przeprowadzonym w ramach międzynarodowej współpracy COMPASS, nie przyniosła rozwiązania zagadki spinu protonów i neutronów, za to skomplikowała jej rozwikłanie" - zaznaczają przedstawiciele Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) w przesłanym PAP komunikacie.

Protony i neutrony – czyli cegiełki jąder atomowych, nazywane nukleonami – to cząstki złożone. Fizycy spodziewają się, że na podstawie własności ich składników, czyli kwarków i gluonów, można odtworzyć cechy całych cząstek. W podobny sposób udało się wyjaśnić m.in. powstawanie ładunku elektrycznego protonu.

„Spin nukleonów sprawia nam wszystkim kłopot. Po prawie ćwierć wieku badań wciąż nie znamy wszystkich mechanizmów odpowiedzialnych za sposób, w jaki spiny cząstek składowych składają się na wypadkowy spin protonu czy neutronu” - stwierdza prof. Barbara Badełek z FUW. Prof. Badełek koordynowała działania fizyków analizujących dane z doświadczenia przeprowadzonego w CERN w ramach współpracy COMPASS (COmmon Muon Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy).

Spin jest jedną z najważniejszych cech cząstek mikroświata. To dziwna, nieintuicyjna własność kwantowa: opisuje dynamikę cząstki w spoczynku. Wartość spinu to zawsze całkowita lub połówkowa wielokrotność pewnej fundamentalnej porcji. Spin protonów i neutronów (oraz kwarków) to połowa tej porcji, spin gluonów to cała porcja. Spiny składają się w złożony sposób. Wypadkowy spin protonów i neutronów powinien jednak wynikać z cech kwarków i gluonów: ich spinów i ich względnego ruchu.

Każdy nukleon składa się z trzech kwarków zlepionych gluonami. Gluony oddziałują tak silnie, że spontanicznie kreują inne gluony lub pary kwarków, te ostatnie zaś niemal natychmiast anihilują, zamieniając się ponownie w gluony lub kwarki. Wnętrze nukleonu przypomina więc gotujące się morze wirtualnych kwarków i gluonów, z trzema stabilnymi wyspami – kwarkami walencyjnymi. Naukowcy zastanawiają się, w jaki sposób tak złożony i dynamiczny układ cząstek wytwarza wypadkowy, zawsze ten sam spin nukleonu.

Początkowo przypuszczano, że spin nukleonu można złożyć ze spinu samych kwarków. Doświadczenia wykazały jednak, że wkład od sumarycznego spinu wszystkich kwarków jest zaskakująco mały. Dotychczasowe wyniki pomiarów pokazują, że spiny kwarków odpowiadają zaledwie za jedną trzecią wypadkowego spinu nukleonów. Subtelne, relatywistyczne efekty związane z ruchem kwarków i gluonów wewnątrz nukleonów mogą odpowiadać za kolejną jedną trzecią wypadkowego spinu. W tej sytuacji naturalnym kandydatem, który mógłby odpowiadać za istnienie pozostałej części spinu nukleonów, stały się spiny gluonów.

Aby zweryfikować przypuszczenia dotyczące roli gluonów w powstawaniu spinu protonów i neutronów, w ramach współpracy COMPASS zaprojektowano skomplikowane doświadczenie. W jego realizacji uczestniczyło ok. 220 fizyków z 13 państw i 24 instytucji naukowych. W skład grupy polskiej weszli fizycy i inżynierowie z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Instytutu Radioelektroniki Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej.

W doświadczeniu miony zderzano z protonami i neutronami. Dane potwierdziły, że spiny kwarków odpowiadają za spin nukleonów tylko w ok. 30 proc., a wkład gluonów prawdopodobnie jest bardzo mały. Fizykom pozostało więc już niewiele miejsca na wyjaśnienie zagadki pochodzenia spinu nukleonów. W ramach dotychczasowych teorii i modeli brakujący wkład można jeszcze próbować tłumaczyć ruchami kwarków i gluonów. Jeśli przyszłe eksperymenty zanegują rolę i tych mechanizmów, fizykę cząstek elementarnych trzeba będzie uogólnić o nowe prawa.

„Po dekadach żmudnych badań i analiz wszyscy chcielibyśmy już móc powiedzieć: kwarki i gluony w taki a nie inny sposób składają się na spin protonów i neutronów. Lecz zamiast ostatecznej odpowiedzi, nadal mamy przed sobą perspektywę kolejnych badań. Nauka zawsze dostarcza mniejszej liczby odpowiedzi niż nowych pytań. Czy jednak nie na tym polega jej piękno i atrakcyjność?” - podsumowuje prof. Badełek.

Udostępnij

Nie jesteś zalogowany!
Korzystanie z witryny www.SOFIZMAT.pl oznacza zgodę na wykorzystywanie
plików cookie, z których niektóre mogą być już zapisane w folderze przeglądarki.