Το σπιν του πρωτονίου: ένα άλυτο πρόβλημα της φυσικής;

Posted on 02/06/2015

0


proton_quarks_ectΤο πρόβλημα με το σπιν του πρωτονίου προέκυψε από ένα πείραμα του 1988 [A measurement of the spin asymmetry and determination of the structure function g1  in deep inelastic muon-proton scattering].

Οι φυσικοί περίμεναν ότι το συνολικό σπιν του πρωτονίου θα οφειλόταν στα συστατικά του: τα κουάρκ.
Κι όμως το πείραμα έδειχνε ότι το άθροισμα των σπιν των κουάρκ που αποτελούν το πρωτόνιο είναι κατά πολύ μικρότερο από το σπιν του ίδιου του πρωτονίου. Αυτό το περίεργο αποτέλεσμα θεωρήθηκε στη συνέχεια ως ένα από τα άλυτα προβλήματα της φυσικής.

Σύμφωνα με την κβαντική χρωμοδυναμική το πρωτόνιο συνίσταται από δυο πάνω κουάρκ και ένα κάτω κουάρκ, γλοιόνια και ενδεχομένως από επιπλέον ζεύγη κουαρκ και αντι-κουαρκ. Η κυριαρχούσα άποψη ήταν ότι αφού το πρωτόνιο είναι σταθερό, θα βρίσκεται στη χαμηλότερη δυνατή ενεργειακή κατάσταση. Συνεπώς θα έπρεπε η κυματοσυνάρτηση των κουάρκ να είναι να είναι σφαιρικά συμμετρική, χωρίς τροχιακή στροφορμή. Το πρωτόνιο είναι όπως και κάθε ένα από τα κουάρκ του, σωματίδιο με σπιν ½. Έτσι, θεωρήθηκε ότι τα δυο κουάρκ έχουν αντίθετα σπιν και το τρίτο έχει σπιν παράλληλο με το σπιν του πρωτονίου,

Στο πείραμα του 1988, μια πολωμένη δέσμη μιονίων κατευθύνθηκε σε έναν στόχο πολωμένων πρωτονίων για να μετρηθεί το στιγμιαίο σπιν των κουάρκ. Σκοπός του πειράματος ήταν να επιβεβαιωθεί ότι το άθροισμα των σπιν των κουάρκ είναι ίσο με το σπιν του πρωτονίου. Όμως αυτό που προέκυψε από το πείραμα ήταν ότι τα σπιν των κουάρκ δεν αντιπροσώπευαν ούτε το 50% του σπιν του πρωτονίου. Και αυτό ονομάστηκε «κρίση σπιν» του πρωτονίου.

Στο τεύχος Ιουνίου του Physics World περιγράφεται πως οι ερευνητές προσπάθησαν να βρούν τις εναλλακτικές πιθανές πηγές για το σπιν του πρωτονίου, όπως τροχιακή στροφορμή των κουάρκ και των γλοιονίων ως προς τον άξονα του σπιν του πρωτονίου ή ίσως στο σπιν των ίδιων των γλοιονίων. Γίνεται μεγάλη συζήτηση μεταξύ των θεωρητικών φυσικών για το πόσο ακριβώς συνεισφέρει στο σπιν των πρωτονίων η κάθε μια από αυτές τις συνιστώσες, καθώς τα τελευταία πειραματικά δεδομένα – από RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) και Brookhaven National Laboratory – δείχνουν ότι τα σπιν των γλοιονίων θα μπορούσαν να έχουν βασική συνεισφορά.

Ωστόσο πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι απέχουμε πολύ από την επίλυση του προβλήματος, θεωρώντας αναγκαία νέα πειράματα βομβαρδισμού πρωτονίων με ηλεκτρόνια σε μια περιοχή ενεργειών περίπου 140 GeV. Πάντως σε τέτοιου είδους πειράματα παραμονεύουν πολλές εκπλήξεις…