محققان به کمک برخورد دهنده RHIC توضیح می‌دهند که چطور گلوئون‌ها در اسپین نوکلئون‌ها (نوترون و پروتون) نقش دارند.

برای ۲۵ سال فیزیکدانان با یک پارادوکس در مورد اسپین پروتون‌ها و نوترون‌ها مواجه شده‌اند؛ مجموع اسپین کوارک‌های سازنده نوکلئون‌ها (نوترون-پروتون) تنها کسر کوچکی از اسپین کل آن‌ها است به این معنی که مجموع اسپین کوارک‌ها اسپین صحیح نوکلئون را نمی‌دهد. اکنون یک گروه تحقیقاتی متشکل از فیزیکدانانی از آرژانتین و آلمان با آنالیز داده‌های برخورددهنده یون سنگین نسبیتی (RHIC) نشان می‌دهند که اسپین «گم شده» ممکن است توسط گلوئون‌هایی حمل شود که کوارک‌ها را نزدیک یکدیگر در یک نوکلئون نگه می ‌دارد.

تفنگ گلوئونی: آشکارساز RHIC

اسپین‌های جامانده؟

اسپین، تکانه زاویه‌ای ذاتی، ویژگی هردوی نوترون‌ها و پروتون‌ها (در حالت کلی نوکلئون‌ها) است. تا ۱۹۸۰ فیزیکدانان فرض کرده بودند که اسپین-۲/۱ پروتون‌ها و نوترون‌ها به طور ساده نتیجه مجموع اسپین‌های ۲/۱ کوارک‌های سازنده آن‌ها است؛ به این صورت که جهت چرخش دو کوارک خلاف جهت کوارک سوم باشد. اما یک سری از آزمایش‌ها نشان داد که مجموع اسپین کوارک‌ها تنها کسر کوچکی از اسپین نوکلئون را تشکیل می‌دهد؛ این مسئله به عنوان «بحران یا تضاد اسپین» شناخته شد. در آن آزمایش‌ها باریکه‌های قطبیده اسپینی الکترون‌ها یا میون‌ها را به نوکلئون‌های قطبیده اسپینی شلیک می‌کردند. در واقع ایده این بود که انحراف ذرات باریکه در دو وضعیت را با هم مقایسه کنند؛ اول حالتی که محور اسپینی موافق جهت باریکه باشد و دوم زمانی که محور اسپینی مخالف جهت باریکه باشد. نتایج آزمایش های پراکندگی نشان داد که مجموع اسپین کوارک های سازنده نوکلئون تنها 25 درصد اسپین کل نوکلئون را تشکیل می دهند. بنابراین فیزیکدانان نمی توانستند مشخص کنند که نوکلئون­ها اسپین خود را از کجا بدست می آورند.

یک کاندید برای اسپین­های گم­شده گلوئون ها هستند که کوارک ها را کنار یکدیگر نگه می دارند؛ گلوئون ها توسط کوارک ها در برهم کنش های نیروی قوی مبادله می شوند. از آن جایی که آزمایش های متمرکز روی اسپین کوارک نمی توانند مستقیماً ویژگی های گلوئون (مثل اسپین و قطبش) را اندازه گیری کنند، چون از طریق الکترومغناطیسی برهم کنش نمی کنند، محققان توجه خود را به برخورد دهنده RHIC (در آزمایشگاه ملی بروکهاون نزدیک نیویورک) جلب کردند. این برخورد دهنده دو باریکه پروتون را به شکل سر به سر به یکدیگر می کوبد. در این صورت یک گلوئون از یک پروتون می تواند از طریق نیروی قوی با کوارک پروتون دیگر برهم کنش کند.

گلوئون‌های چرخان

در جدیدترین تحقیقات، گروهی از نظریه پردازان به رهبری Daniel de Florian از دانشگاه Aires (آرژانتین) داده های حاصل از برخورد باریکه های پروتون را از برخورد دهنده RHIC، آزمایش های STAR و PHENIX، طی چندین سال آنالیز کردند. De Florian و همکارانش علاوه بر مطالعه داده های جمع آوری شده تا سال 2009، این داده ها را با مدل نظری خود مقایسه کرده اند. مدل این افراد جهت اسپین احتمالی گلوئون هایی را که کسر مشخصی از تکانه را حمل می کند، پیش بینی می کند.

در مقابل نتیجه تحقیقاتی گروه آرژانتینی که از داده های پنج سال گذشته بدست آوردند، محققانی از آلمان دریافتند که اسپین گلوئون تمایل دارد تا با اسپین پروتون هم جهت شود. در حقیقت آن ها برآورد می کنند که گلوئون ها می توانند نیمی از اسپین پروتون را حمل کنند. Werner Vogelsang عضو تیم تحقیقاتی دانشگاه Tübingen (آلمان) می گوید «این اولین مدرکی است که می گوید گلوُون ها می توانند سهم مهمی در اسپین پروتون داشته باشند». او ادامه می افزاید «طبق استدلال های نظری گلوئون ها بایستی سهم مشابهی برای نوترون ها داشته باشند».

مدارهای بی‌نظم

Vogelsang خاطر نشان می کند که او و همکارانش نمی توانند از نتایج شان مطمئن باشند چرا که آن ها سهم اسپین گلوئون ها با تکانه های پایین را هنوز آنالیز نکرده اند. او می گوید: برای انجام چنین کاری به داده های حاصل از برخوردهای پر انرژی تری در برخورد دهنده RHIC نیاز است. چنین ماشین های پیشرفته ای ممکن است هم چنین به فیزیکدانان این اجازه را بدهد تا تکانه زاویه مداری کوارک ها و گلوئون ها را مورد مطالعه قرار دهند. چنین مطالعه­ای نیازمند آنالیز داده­های ناشی از برخوردهای بسیار کمیاب است.

Robert Jaffe از دانشگاه MIT (آمریکا) De Florian و همکارانش را به خاطر «کار خوبشان» تحسین می کند. او می گوید: تحقیقات این گروه گام مهمی در فهم این مسئله بر می دارد که چه چیزی اسپین پروتون را تشکیل می دهد. او اضافه می کند: نتیجه تحقیقات این گروه حتی از جهتی مهم تر به نظر می­رسد چرا که به فیزیکدانان کمک می کند که بفهمند چرا مدل سه کوارکی پروتون در توصیف ویژگی هایی از قبیل گشتاور مغناطیسی به خوبی جواب می دهد.

منبع: Gluons get in on proton spin - physicsworld.com