Zagadka spinu nukleonu
Nowa generacja eksperymentów pozwoli lepiej poznaç
wciÄ…Å» niedostatecznie zrozumia"Ä… budow´ protonów i neutronów
Klaus Rith i Andreas Schäfer
rotony i neutrony by"y pierwszy- by"o to niemal równoznaczne ze zde- w Ęredniej do zera. Niestety, w rzeczy-
mi czÄ…stkami elementarnymi, któ- rzaniem elektronów z czystymi proto- wistoĘci okaza"o si´ to nie takie proste.
Pre odkryto w tym stuleciu. Na- nami. Na podstawie tego, jak elektrony W po"owie lat osiemdziesiÄ…tych z re-
zwano je nukleonami, poniewaŻ znaj- zmienia"y kierunek, wnioskowano o bu- zultatów eksperymentalnych wynika"o,
dujÄ… si´ w jÄ…drach atomów; tworzÄ… po- dowie protonu. Å»e spin nukleonu w ogóle nie jest po-
nad 99.9% otaczającej nas materii, w tym Podobne eksperymenty prowadzono chodną spinów jego kwarków. Ta w"a-
t´ oto kartk´ i kaÅ»dego z nas. (Pozosta- juÅ» wczeĘniej i wszystkie ukazywa"y Ęnie niespodzianka zrodzi"a kryzys spi-
"e 0.1% stanowią elektrony.) ChociaŻ proton jako w gruncie rzeczy kulistą, nowy . Ogromnie wiele pracy w"oŻono
80 lat badaÅ‚ eksperymentalnych i teo- mi´kkÄ… grudk´ "adunku. Tymczasem w to, by pogodziç teori´ z eksperymen-
retycznych sporo nas nauczy"o, to jed- przy wyŻszych energiach osiągalnych tem. Innym zaskoczeniem by"o to, Że
nak pewne fundamentalne w"asnoĘci dzi´ki nowemu akceleratorowi w SLAC kwarki dziwne, zwykle uwaÅ»ane za
nukleonów wciąŻ zaskakują i intrygują. niektóre elektrony ku zdumieniu wszy- przynaleŻne do egzotycznych cząstek
W ostatnim dziesi´cioleciu fizycy mo- stkich rozprasza"y si´ tak, jakby trafia"y krótko Å»yjÄ…cych zwiÄ…zanych z wysoko-
zolili si´ nad rozszyfrowaniem pewnej w jakieĘ maleÅ‚kie, twarde i na"adowa- energetycznymi oddzia"ywaniami, zda-
szczególnej "amig"ówki, zwanej kryzy- ne punkty wewnÄ…trz protonu. Z poczÄ…t- wa"y si´ odgrywaç waÅ»nÄ… rol´ w struk-
sem spinowym. ku eksperymentatorzy sądzili, Że pope"- turze spinowej pospolitego nukleonu.
Pojawi" si´ on w zwiÄ…zku ze skÄ…dinÄ…d niajÄ… b"Ä…d albo natrafili na jakiĘ nie Obecnie teoretycy wierzÄ…, Å»e potrafiÄ…
bardzo udanym modelem kwarków. uwzgl´dniony subtelny efekt. Wyniki wyjaĘniç te cechy, a badania ekspery-
Ów elegancki i zwarty model teoretycy okaza"y si´ jednak prawdziwe: znalezio- mentalne, prowadzone w laboratoriach
wymyĘlili do opisu zarówno mnóstwa no pierwszy dowód istnienia kwarków. Europy i Stanów Zjednoczonych, wkra-
nowych czÄ…stek odkrytych w latach Obecnie wiadomo juÅ», Å»e na nukle- czajÄ… w nowÄ… er´ w pomiarach spinu
pi´çdziesiÄ…tych i szeĘçdziesiÄ…tych, jak ony sk"adajÄ… si´ plÄ…sajÄ…ce jakby w nie- nukleonów z zastosowaniem nowocze-
i starych znajomych w rodzaju protonu ustannym taÅ‚cu ulotne czÄ…stki, które snych technik i jeszcze wi´kszÄ… precy-
i neutronu. W"asnoĘci i oddzia"ywania pojawiajÄ… si´ i znikajÄ…. Niektóre z nich to zjÄ…. Pozostaje sprawdziç, czy wyniki po-
tego ca"ego zoo dawa"y si´ uporzÄ…dko- gluony poĘredniczÄ…ce w silnych od- twierdzÄ… nasze przypuszczenia, czy teÅ»
waç dzi´ki za"oÅ»eniu, Å»e czÄ…stki zbudo- dzia"ywaniach. Trzy g"ówne kwarki, zrodzÄ… nowe zagadki i nowy kryzys .
wane są z trzech rodzajów kwarków, które tworzą nukleon zwane kwarka-
zwanych górnym, dolnym i dziwnym. mi walencyjnymi tam i z powrotem WaÅ»noĘç spinu
Proton sk"ada si´ z dwu kwarków wymieniajÄ… gluony, co daje efekt silne-
górnych i jednego dolnego; neutron ma go kleju trzymajÄ…cego je razem [patrz: Wszystko, co kr´ci si´ lub porusza wo-
jeden kwark górny i dwa dolne. Wiele Frank E. Close i Philip R. Page, Glu- kó" ustalonego punktu, wykazuje mo-
w"asnoĘci nukleonów wynika po pro- onia ; Âwiat Nauki, styczeÅ‚ 1999]. ment p´du. Ziemia na przyk"ad ma or-
stu ze z"oÅ»enia w"asnoĘci tworzÄ…cych je Oprócz trzech kwarków walencyjnych bitalny moment p´du na skutek swego
kwarków. Na przyk"ad "adunek elek- i gluonów na bardzo krótko pojawiają rocznego obiegu wokó" S"ołca i we-
tryczny protonu jest równy sumie u"am- si´ i znikajÄ… pary kwarków i antykwar- wn´trzny moment p´du w wyniku do-
kowych "adunków jego kwarków: +1 = ków; wszystkie one wp"ywają na w"a- bowego obrotu wokó" w"asnej osi. Spin
2 1
/3 + 2/3 /3 . Próby zaobserwowania snoĘci nukleonu [ilustracja obok]. cząstki elementarnej jest odpowiedni-
pojedynczych kwarków nie powiod"y WĘród nich ogromne znaczenie ma kiem wewn´trznego momentu p´du, ale
si´ jednak i wielu fizyków uzna"o, Å»e spin, rodzaj wrodzonego momentu charakteryzujÄ… go specjalne w"asnoĘci
nie sÄ… one rzeczywistymi obiektami, któ- p´du. MajÄ… go wszystkie tworzÄ…ce nu- kwantowe. Mechanika kwantowa do-
re da si´ badaç, lecz jedynie wygodny- kleon czÄ…stki wszyscy ci taÅ‚czÄ…cy der- puszcza jedynie takie spiny, które sÄ… wie-
mi poj´ciami matematycznymi, u"atwia- wisze muszÄ… z"oÅ»yç si´ na obserwo- lokrotnoĘciami maleÅ‚kiej fundamental-
jącymi opis oddzia"ywał. wany ca"kowity spin nukleonu. Na nej wielkoĘci, zwanej sta"ą Plancka, czyli
Pod koniec lat szeĘçdziesiÄ…tych ze- pierwszy rzut oka trzykwarkowy mo- ¨ (które wymawia si´ h kreĘlone ).
spó" fizyków z Massachusetts Institute del nukleonu uwzgl´dnia jego spin: dwa Dozwolone sÄ… jedynie ca"kowite i po-
of Technology i ze Stanford Linear Ac- kwarki mogÄ… mieç przeciwne, znoszÄ…ce "ówkowe wielokrotnoĘci. Wszystkie
celerator Center (SLAC) bada" we- si´ spiny, a spin pozosta"ego kwarka wzgl´dnie dobrze znane czÄ…stki materii
wn´trznÄ… struktur´ nukleonów, prze- by"by toÅ»samy z obserwowanym spi- elektrony, protony, neutrony i kwar-
puszczajÄ…c wysokoenergetycznÄ… wiÄ…zk´ nem nukleonu. RozsÄ…dne jest przy tym ki majÄ… najmniejszÄ… moÅ»liwÄ… niezero-
elektronów przez ciek"y wodór. Ponie- za"oÅ»enie, Å»e spiny gluonów i wirtual- wÄ… wartoĘç spinu, czyli pó" ¨. Przyj´"o
waÅ» jÄ…dro wodoru stanowi sam proton, nych par kwark antykwark sumujÄ… si´ si´ mówiç, Å»e te czÄ…stki majÄ… spin 1/2.
70 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚ 1999
a ATOM WODORU O SPINIE 0 ATOM WODORU O SPINIE 1
wania i nie"atwo poradziç sobie z ko-
MASA = 0.9 GeV MASA = 0.9 GeV + 6 x 10 15 GeV
niecznymi obliczeniami.
W istocie, poniewaÅ» gluony oddzia"u-
jÄ… silnie mi´dzy sobÄ…, QCD jest teoriÄ…
nieliniowÄ… : nawet ma"a zmiana wa-
runków moÅ»e spowodowaç wielki efekt.
Dynamika nieliniowa zajmuje istotne
miejsce w teorii chaosu. Prowadzone
w ostatnich latach liczne badania uk"a-
dów chaotycznych wykaza"y, jak bywa-
jÄ… one z"oÅ»one. Co wi´cej, QCD jest
kwantowÄ… teoriÄ… pola, z czego wynika,
Że wirtualne kwarki i gluony podlega-
jÄ… ciÄ…g"ej kreacji i anihilacji; trzeba
uwzgl´dniaç ich indywidualne, krótkie,
lecz przenikliwe oddzia"ywania. I jak-
3
1 CZŃSTKA "+ (SPIN /2)
b PROTON (SPIN /2)
by tego nie by"o dosyç, z zasady nie-
MASA = 1.2 GeV
MASA = 0.9 GeV
oznaczonoĘci wynika, Że kwarki, Ęci-
Ęni´te w maleÅ‚kiej obj´toĘci protonu lub
neutronu, muszÄ… si´ poruszaç z pr´d-
koĘciÄ… bliskÄ… pr´dkoĘci Ęwiat"a.
Pod pewnymi wzgl´dami w chromo-
dynamice kwantowej spin jest waŻniej-
szy niÅ» w fizyce atomowej. Na przyk"ad
atom wodoru ma spin zero lub jeden
w zaleŻnoĘci od tego, czy spiny protonu
i krąŻącego wokó" niego elektronu są
wzgl´dem siebie równoleg"e, czy an-
tyrównoleg"e [ilustracja obok]. Jednak-
STRUKTURA SPINOWA ma wi´ksze znaczenie w przypadku czÄ…stek subatomowych niÅ»
Że róŻnica energii w tych dwóch przy-
w przypadku atomów. W atomie wodoru (a) zgodne skierowanie spinów protonu (szary)
i elektronu (czerwony) zwi´ksza ca"kowity spin atomu z wartoĘci 0 do 1, podczas gdy ma- padkach jest maleÅ‚ka. Jako przeciwieÅ‚-
sa wzrasta jedynie o kilka milionowych elektronowolta. CzÄ…stka D+ i proton (b) zbudo- stwo rozwaÅ»my czÄ…stk´ zwanÄ… D+ (del-
wane sÄ… tak samo z dwu kwarków górnych oraz jednego kwarka dolnego i róŻniÄ… si´
ta plus, gdzie plus wskazuje na jej "a-
jedynie spinem, ale to powoduje, Å»e D+ jest o 30% ci´Å»sza od protonu.
dunek elektryczny równy +1). Zbudo-
wana jest ona z takich samych trzech
Spin ma zasadnicze znaczenie w okre- choç znane od lat siedemdziesiÄ…tych, kwarków co proton, ale ze spinami sk"a-
Ęleniu zachowania si´ czÄ…stki. Gdyby na z powodu swych w"asnoĘci sprawiajÄ… dajÄ…cymi si´ na 3/2 zamiast 1/2 . D+ ma
przyk"ad elektrony mia"y spin inny niÅ» piekielnie duÅ»o k"opotów. Nawet dzi- mas´ o 30% wi´kszÄ… niÅ» proton, co
1
/2, w zupe"nie odmienny sposób by"y- siaj, stosując najbardziej wyrafinowane oznacza, Że zgodne ukierunkowanie spi-
by organizowane w orbitale atomowe. techniki matematyczne i uÅ»ywajÄ…c naj- nów wymaga wi´cej energii.
Tablica okresowa pierwiastków i ca"a mocniejszych równoleg"ych kompute-
chemia zmieni"yby si´ nie do poznania. rów, fizycy nie potrafiÄ… precyzyjnie roz- Mikroskopy leptonowe
Obliczenie spinu czÄ…stki z"oÅ»onej wiÄ…zaç równaÅ‚ dla nukleonu.
przez dodanie momentów p´du jej Silne oddzia"ywania wyst´pujÄ…, gdy Eksperymentatorzy badajÄ… zwykle
sk"adników nie jest tak proste jak zsu- kwarki wymieniajÄ… gluony. Jest to pro- struktur´ nukleonów, bombardujÄ…c zbu-
mowanie "adunków elektrycznych, ces podobny do pojawienia si´ si"y elek- dowane z nich tarcze wiÄ…zkami wysoko-
gdyÅ» z kaÅ»dym momentem p´du zwiÄ…- tromagnetycznej, kiedy elektrycznie na- energetycznych czÄ…stek, takich jak elek-
zany jest okreĘlony kierunek. Na przy- "adowane czÄ…stki wymieniajÄ… fotony. trony czy miony (mion jest ci´Å»szym,
k"ad kierunek spinu Ziemi przedstawia JednakŻe dwie zasadnicze róŻnice czy- niestabilnym kuzynem elektronu). Te
si´ jako strza"k´ wzd"uÅ» osi jej obrotu, niÄ… QCD matematycznie znacznie trud- czÄ…stki, zwane leptonami, sÄ… oboj´tne
wskazujÄ…cÄ… z po"udnia na pó"noc. niejszÄ… od elektromagnetyzmu. Po wzgl´dem silnych oddzia"ywaÅ‚, tak
Niemniej jednak obliczanie takich pierwsze, fotony sÄ… elektrycznie oboj´t- wi´c ich zderzeniami rzÄ…dzi elektro-
sum dla atomów, nawet tych z kilku- ne i bezpoĘrednio nie wyczuwajÄ… in- magnetyzm. Poza tym leptony zdajÄ… si´
dziesi´cioma elektronami, nie nastr´cza nych fotonów, podczas gdy gluony od- zachowywaç jak doskona"e bezwymia-
k"opotów i studenci fizyki tego rodza- dzia"ujÄ… mi´dzy sobÄ…. Po drugie, silne rowe punkty, co znacznie upraszcza
ju zadania rozwiÄ…zujÄ… na zaj´ciach z me- oddzia"ywanie jest oko"o 100 razy sil- opis matematyczny ich oddzia"ywaÅ‚
chaniki kwantowej. Niestety, nikt nie niejsze niÅ» elektromagnetyzm (stÄ…d z nukleonami i czyni go bardzo dobrze
poradzi" sobie z analogicznymi oblicze- jego nazwa). Dla wzgl´dnie s"abego od- zrozumia"ym; trudnoĘci zwiÄ…zane sÄ…
niami w przypadku kwarków i glu- dzia"ywania, jakim jest elektromagne- z faktem, Å»e nukleon ma wewn´trznÄ…
onów, tworzÄ…cych protony i neutrony. tyzm, najprostsze procesy dajÄ… najwi´k- struktur´, a nie z uÅ»yciem czÄ…stki jako
sze efekty, a bardziej skomplikowane pocisku.
K"opot z QCD uwzgl´dnia si´ jedynie w celu zwi´k- Kiedy elektron lub mion przechodzi
szenia dok"adnoĘci. Natomiast w sil- obok nukleonu w tarczy, dzia"a na nie-
Problem tkwi w teorii opisującej silne nych oddzia"ywaniach wielki udzia" go si"a "adunków elektrycznych wcho-
oddzia"ywania zwanej chromodynami- mogÄ… mieç bardzo skomplikowane pro- dzÄ…cych w sk"ad nukleonu. W j´zyku
ką kwantową, czyli QCD. Jej równania, cesy obejmujące wielokrotne oddzia"y- kwantowej teorii pola lepton i nukleon
72 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚ 1999
SLIM FILMS
Odkrywanie spinowej struktury nukleonu
Spolaryzowana wiÄ…zka elektronów lub mionów ( leptonów ) z akceleratora kierowana jest na tarcz´ spolaryzowanych nukle-
onów. Detektory mierzÄ… odchylenia i straty energii leptonów. W obecnie prowadzonych eksperymentach mierzy si´ takÅ»e szczÄ…t-
ki nukleonu, aby okreĘliç rodzaj kwarka, z którym nastÄ…pi"o zderzenie powodujÄ…ce odchylenie leptonu.
ROZPROSZONY
LEPTON
WIŃZKA LEPTONÓW
TARCZA
SZCZŃTKI
NUKLEONU
DETEKTORY
Lepton ulega odchyleniu, kiedy wymienia foton z jednym z kwarków nukleonu. Leptony o spinach u"oŻonych zgodnie z kierun-
kiem wiązki oddzia"ują prawie wy"ącznie z kwarkami, które mają przeciwnie skierowany spin (poniŻej z lewej). Kiedy polaryza-
cja wiÄ…zki (lub polaryzacja nukleonu) zmienia si´ na przeciwnÄ… (poniÅ»ej z prawej), leptony oddzia"ujÄ… z innymi kwarkami, co da-
je odmienny rozk"ad kÄ…tów rozpraszania i strat energii. RóŻnica obrazuje asymetri´ spinowÄ… kwarków w nukleonie.
JeĘli ujemnie na"adowany kaon zostanie wyrzucony z nukleonu z duŻą ener-
gią (poniŻej z lewej), oznacza to, Że foton prawdopodobnie trafi" w jeden z jego
sk"adników kwarka dziwnego lub antykwarka górnego. Zliczając odchylenia
leptonów w takich sytuacjach, fizycy wyznaczajÄ… polaryzacj´ tych kwarków.
W eksperymencie HERMES (zdj´cie) wiÄ…zka elektronów biegnie wewnÄ…trz du-
Å»ej szarej rury w stron´ magnesu spektrometru (niebieski). Tarcza i kilka ma-
"ych detektorów zainstalowanych zosta"o przed magnesem, g"ówne detektory czą-
stek zaĘ znajdujÄ… si´ za nim.
K (KAON)
ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚ 1999 73
SLIM FILMS; HEIKE THUM-SCHMIELAU
DESY (zdj´cie)
KIERUNEK WIŃZKI POLARYMETR POPRZECZNY
podczas przejĘcia przez amoniak tarczy
i pomiary by"yby niezbyt dok"adne.
BadajÄ…c spinowÄ… struktur´ nukleonu
przy wyŻszych energiach, grupa z
CERN dokona"a zdumiewajÄ…cego od-
krycia: spiny kwarków mają bardzo ma-
"y udzia" w spinie protonu. W dodatku
HALE EKSPERYMENTÓW
okaza"o si´, Å»e wirtualne kwarki dziw-
ne wewnÄ…trz protonu sÄ… silnie spola-
ryzowane i dają zaskakująco duŻy, bo
MAGNES
MAGNES
10-procentowy, przyczynek do ca"ko-
DO OBRACANIA SPINU
DO OBRACANIA SPINU
witego spinu, a co wi´cej, wskazujÄ…cy
w z"ym kierunku!
HERMES
Kilka lat póęniej dzi´ki niebywa"emu
POLARYMETR POD¸UÚNY
post´powi technicznemu w uzyskiwa-
ZDERZACZ HERA przyspiesza elektrony w pierĘcieniu akumulacyjnym o obwodzie d"u-
niu silnie spolaryzowanych wiÄ…zek
goĘci 6.3 km. Elektrony (czerwone) wykonujÄ… oko"o 47 tys. obiegów na sekund´, stale emi-
i tarcz przystÄ…piono do nowej generacji
tujÄ…c twarde promienie X, tzw. promieniowanie synchrotronowe (czarne). Stopniowo,
eksperymentów o znacznie wi´kszej do-
w czasie oko"o 30 min, promieniowanie synchrotronowe polaryzuje spiny elektronów
k"adnoĘci pomiarów. Oprócz najnow-
w kierunku prostopad"ym do kierunku wiązki (stuprocentowa polaryzacja jest moŻliwa,
ale w praktyce uzyskuje si´ zwykle 60% polaryzacji). Tarcza i detektory HERMES-a (nie- szych technologii wszystkie one wyma-
bieskie) zajmujÄ… wschodniÄ… hal´ eksperymentalnÄ…; trzy inne eksperymenty (brÄ…zowy) rów- ga"y organizacji na wielkÄ… skal´, tak jeĘli
nieŻ korzystają z akceleratora HERA. Specjalne magnesy (Żó"ty) tak obracają spiny, by
chodzi o si"´ roboczÄ…, jak i Ęrodki pie-
przed punktem zderzenia w HERMES-ie mia"y polaryzacj´ zgodnÄ… z kierunkiem wiÄ…zki,
ni´Å»ne. Spinowa Wspó"praca Mionowa
a po przejĘciu tego punktu z powrotem wraca"y do polaryzacji poprzecznej. Polarymetry
(SMC Spin Muon Collaboration) prze-
mierzą stopieł polaryzacji.
j´"a aparatur´ z wczeĘniejszego ekspery-
mentu w CERN, podmieniajÄ…c tarcz´ na
wymieniajÄ… foton, przekazujÄ…c energi´ czy) ujawniÄ… brak symetrii spinów kwar- nowÄ… d"ugoĘci 1.2 m (najd"uÅ»szÄ…, jakÄ…
od jednego do drugiego i odchylajÄ…c lep- ków brak równowagi mi´dzy spinami dotÄ…d zbudowano), wykonanÄ… z deute-
ton [ilustracja na poprzedniej stronie]. Na równoleg"ymi i antyrównoleg"ymi. ru (wodór z dodatkowym neutronem
podstawie dok"adnych pomiarów od- Pierwsze eksperymenty z polaryza- w jÄ…drze). Nowe eksperymenty podj´to
chyleł leptonów i strat ich energii cją przeprowadzone zosta"y w SLAC równieŻ w SLAC, gdzie uŻyto materia-
w zderzeniach moÅ»na sobie wyobraziç, w póęnych latach siedemdziesiÄ…tych. "ów tarczy zawierajÄ…cych wodór lub
jak "adunki elektryczne na przyk"ad UŻyto w nich wiązki elektronów i krio- deuter, a takŻe hel 3. Hel 3 ma jeden
te niesione przez kwarki roz"oŻone są genicznej tarczy z butanolu (C4H9OH). neutron i dwa protony o przeciwnych
wewnÄ…trz nukleonu. Rezultaty opublikowane na poczÄ…tku spinach, które si´ znoszÄ…. Eksperymen-
Akcelerator (który przyspiesza lep- lat osiemdziesiątych potwierdzi"y prze- ty z deuterem i z helem 3 dostarczają
tony) i detektor (który wy"apuje te od- widywania, Że 60% spinu protonu po- waŻnych informacji o spinowej budo-
chylone w tarczy) tworzÄ… razem rodzaj chodzi od jego kwarków i Å»e wk"ad od wie neutronu, która powinna byç bar-
gigantycznego mikroskopu. Ze wzro- kwarków dziwnych jest bardzo ma"y. dzo podobna do budowy protonu.
stem p´du wymienianego fotonu mi- Istotnym ograniczeniem danych by"a
kroskop pokazuje coraz bardziej szcze- jednakÅ»e wzgl´dnie niska energia wiÄ…z- HERMES i plany na przysz"oĘç
gó"owo budow´ nukleonu. W celu ki elektronów w SLAC (10 20 GeV), a
wydobycia detali wielkoĘci kilku pro- wnioski zaleÅ»a"y od rozsÄ…dnej ekstra- W 1988 roku mi´dzynarodowy ze-
cent rozmiaru nukleonu potrzebna jest polacji do wyŻszych energii. spó" (w którym pracowa" jeden z nas,
zwykle energia leptonu rz´du 100 GeV. W po"owie lat osiemdziesiÄ…tych ze- Rith) zaproponowa", aby do pomiarów
(1 GeV to typowa jednostka energii sto- spó" fizyków tworzÄ…cych EuropejskÄ… spinu nukleonu wykorzystaç akcele-
sowana w fizyce QCD; jest ona w przy- Wspó"prac´ MionowÄ… (EMC Europe- rator przeciwbieÅ»nych wiÄ…zek elek-
bliŻeniu równa masie protonu lub neu- an Muon Collaboration), rozpoczą" w tron proton o nazwie HERA, znajdu-
tronu w spoczynku.) CERN, Europejskim Laboratorium Fi- jÄ…cy si´ w oĘrodku badawczym DESY
Do badał spinowej struktury nukle- zyki Cząstek w pobliŻu Genewy, eks- w Hamburgu. Wkrótce zespó" ten za-
onu spiny zarówno czÄ…stek wiÄ…zki, jak perymenty z wiÄ…zkÄ… mionów o energii cz´to nazywaç HERMES (od HERa
i tarczy muszÄ… byç spolaryzowane, czy- 200 GeV i ze spolaryzowanÄ… tarczÄ… z ze- MEasurement of nucleon Spin).
li zgodnie skierowane. Podstawowym stalonego amoniaku (NH3). Wiązka pro- Elektrony obiegają pierĘcieł zde-
oddzia"ywaniem mi´dzy leptonem i tonów z akceleratora s"uÅ»y"a do wytwo- rzacza HERA oko"o 47 tys. razy na se-
kwarkiem tarczy pozostaje w dalszym rzenia wiÄ…zki wysokoenergetycznych kund´, dajÄ…c wiÄ…zk´, która jest Ęrednio
ciÄ…gu wymiana fotonu, ale jeĘli oĘ spinu pionów, rozpadajÄ…cych si´ w locie na 10 tys. razy intensywniejsza niÅ» wiÄ…zka
leptonu wiązki jest skierowana wzd"uŻ miony, z których 80 90% by"o spola- w SLAC [ilustracja powyŻej]. MoŻna ją
wiÄ…zki, leptony b´dÄ… przede wszystkim ryzowanych. JednakÅ»e intensywnoĘç wykorzystaç do bombardowania niskiej
wymieniaç fotony z kwarkami o prze- otrzymanej w ten sposób wiÄ…zki mio- g´stoĘci gazowych tarcz z atomowo czy-
ciwnie zorientowanym spinie. Tak wi´c nów stanowi"a zaledwie jednÄ… milio- stego wodoru, deuteru lub helu 3. Ta-
na podstawie odchyleÅ‚ leptonów moÅ»- nowÄ… intensywnoĘci spolaryzowanej kie tarcze pozwalajÄ… uniknÄ…ç rozcieÅ‚-
na wnioskowaç o rozk"adzie kwarków wiÄ…zki elektronów w SLAC. Aby skom- czenia spinów, efektu pojawiajÄ…cego
z okreĘlonÄ… orientacjÄ… spinu w nukleonie. pensowaç ubóstwo tej wiÄ…zki, krioge- si´ w tarczach z butanolu czy amoniaku,
W szczególnoĘci pomiary przeprowa- niczne tarcze EMC mia"y 72 cm d"ugo- które mają wiele niespolaryzowanych
dzone najpierw z jednÄ…, a nast´pnie Ęci. Krótsza sprawi"aby, Å»e zbyt ma"o protonów i neutronów w swoich ato-
z przeciwnÄ… polaryzacjÄ… wiÄ…zki (lub tar- mionów oddzia"ywa"oby z protonem mach w´gla, azotu i tlenu.
74 ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚ 1999
LAURIE GRACE
100
Trzeba by"o pokonaç powaÅ»ne trud-
70
Pomiar spinu nukleonu
noĘci techniczne. Uzyskanie, a nast´p-
(HERA/HERMES)
60
80
nie niezawodne osiÄ…ganie wysokiej
Stanford Linear
Accelerator Center (SLAC)
polaryzacji wymaga"o czterech lat wy-
50
Europejska Wspó"praca
si"ków specjalistów od akceleratorów w
60
Mionowa (SMC)
DESY i cz"onków zespo"u HERMES. Kie-
40
PRZEWAÚAJŃ
dy to si´ wreszcie uda"o, eksperyment
KWARKI WIRTUALNE
40
30
HERMES zosta" ostatecznie zatwier-
PRZEWAÚAJŃ
dzony i rozpocz´"a si´ budowa oraz in-
KWARKI
20
PRZEWAÚAJŃ
stalacja detektorów. Pierwsze dane z
PRZEWAÚAJŃ
WIRTUALNE
20
KWARKI WALENCYJNE
KWARKI
HERMES-a uzyskano latem 1995 roku.
10
WALENCYJNE
Wyniki wszystkich eksperymentów
0
0
drugiej generacji bardzo "adnie si´ ze so-
1.0
0.01 0.1
0.03 0.1 0.5
bą zgadzają [wykres z prawej] i Ęwiadczą,
U"amek energii protonu
U"amek energii protonu
Że jedynie 30% spinu protonu jest wy-
niesiony przez uderzony kwark
niesiony przez uderzony kwark
twarzane przez spiny jego kwarków.
POLARYZACJA SPINU protonu mierzona jest w kilku eksperymentach. Najnowsze po-
Obecnie przyst´puje si´ do pomiarów
miary ca"kowitej asymetrii spinowej wykonane przez SLAC, SMC i HERMES-a (z lewej)
wk"adów od kaŻdego rodzaju kwarków
pokazujÄ…, Å»e spiny kwarków w niewielkim stopniu przyczyniajÄ… si´ do spinu protonu. Gdy-
osobno poprzez analiz´ szczÄ…tków nu- by dane uk"ada"y si´ wzd"uÅ» ciÄ…g"ej linii, Ęwiadczy"oby to o wi´kszym przyczynku, co prze-
widywano we wczesnych latach osiemdziesiątych. Polaryzacja spinów samych tylko kwar-
kleonów w kaŻdym zderzeniu. Wykres
ków i antykwarków górnych (z prawej) zosta"a ostatnio zmierzona przez HERMES-a.
z prawej przedstawia rozk"ad dla spola-
ryzowanego kwarka górnego uzyskany
na podstawie najnowszych danych
z HERMES-a. HERMES dostarczy teŻ ne uzyskane z HERMES-a wskazują na jedno ze ęróde" energii S"ołca). Na przy-
pierwszych bezpoĘrednich pomiarów po- udzia" gluonów w spinie nukleonu, ale k"ad regu"a sum Bjorkena, wyprowa-
laryzacji kwarka dziwnego dzi´ki wy"o- wielkoĘci tego przyczynku nie potrafi- dzona w 1966 roku przez Jamesa
wieniu tych zderzeÅ‚, w których jest pro- my jeszcze wyznaczyç. Zderzenia par Bjorkena ze SLAC, wiÄ…Å»e rozpraszanie
dukowany ujemnie na"adowany kaon spolaryzowanych protonów o wysokich spolaryzowanych elektronów na spola-
(sk"adajÄ…cy si´ z dziwnego kwarka i gór- energiach powinny dostarczyç bezpo- ryzowanych nukleonach (proces elek-
nego antykwarka). Ęredniego pomiaru spinu gluonów. Ta- tromagnetyczny) z rozpadem neutronu
BrakujÄ…ce 70% spinu nie stanowi juÅ» kie eksperymenty rozpocznÄ… si´ w przy- (proces s"aby).
zagadki. Sk"adajÄ… si´ na nie spiny glu- sz"ym roku przy relatywistycznym Eksperymenty spinowe coraz dok"ad-
onów (kaÅ»dy gluon ma spin 1) i orbital- zderzaczu ci´Å»kich jonów (Relativistic niej weryfikujÄ… regu"´ sum Bjorkena,
ny moment p´du zwiÄ…zany z ruchem Heavy Ion Collider) w Brookhaven Na- tym samym sprawdzajÄ…c elementy ma-
kwarków i gluonów wewnątrz nukle- tional Laboratory [patrz: Madhusree tematycznej struktury QCD i Mode-
onu. Wspó"czesne modele teoretyczne Mukerjee, Ma"y Wielki Wybuch ; Âwiat lu Standardowego. W ten sposób ucze-
struktury spinowej sÄ… zgodne z dany- Nauki, maj 1999]. COMPASS ekspery- ni uzyskujÄ… coraz wi´cej informacji
mi eksperymentalnymi, jeĘli ca"kowity ment nast´pnej generacji przygotowy- o podstawowych w"asnoĘciach nasze-
wk"ad gluonów wynosi jednÄ… do dwu wany w CERN równieÅ» b´dzie mie- go WszechĘwiata, wypracowujÄ…c pe"nÄ…
kwantowych jednostek spinu. Wyma- rzy" wk"ad gluonowy. JeĘli okaÅ»e si´ on odpowiedÄ™ na pozornie proste, a w rze-
gany jest teÅ» orbitalny moment p´du za ma"y, to staniemy przed o wiele dra- czywistoĘci zadziwiajÄ…co trudne pyta-
(od ruchu wszystkich czÄ…stek w nukle- matyczniejszym kryzysem spinowym nie: SkÄ…d si´ bierze spin nukleonu?
onie) wynoszÄ…cy oko"o 1. niÅ» kiedykolwiek.
T"umaczy"a
Fakt, Å»e tak duÅ»e wielkoĘci obecne sÄ… Zrozumienie wewn´trznej budowy Agnieszka Zalewska
wewnÄ…trz nukleonu o ca"kowitym spi- nukleonów b´dzie teÅ» mia"o ogromny
OD T¸UMACZKI:
nie 1/2, jest niezgodny z intuicjÄ…. Czy wp"yw na rozwój innych dziedzin fizy- Z przyjemnoĘciÄ… informuj´ polskich czytelni-
ków, Że w badaniach spinu nukleonów mają
moglibyĘmy potwierdziç te zadziwia- ki czÄ…stek. Wk"ady do spinu sÄ… bardzo
swój udzia" równieŻ polscy naukowcy. Grupa
jące udzia"y gluonów i orbitalnego mo- ĘciĘle związane z matematycznymi
warszawskich fizyków cząstek elementarnych
z Instytutu Problemów Jądrowych i z Instytutu
mentu p´du, mierzÄ…c kaÅ»dy z nich z strukturami, które wyst´pujÄ… nie tylko
Fizyki DoĘwiadczalnej Uniwersytetu Warszaw-
osobna? Jak dotÄ…d, nikt nie zapropono- w QCD, ale teÅ» na przyk"ad w s"abych
skiego uczestniczy"a w omawianych w tym ar-
wa" praktycznej realizacji pomiaru wk"a- oddzia"ywaniach (powodujÄ…cych roz-
tykule eksperymentach EMC i SMC, a obecnie
du od orbitalnego momentu p´du. Da- pad niektórych jÄ…der i stanowiÄ…cych przygotowuje si´ do eksperymentu COMPASS.
Informacje o autorach Literatura uzupe"niajÄ…ca
KLAUS RITH i ANDREAS SCHÄFER sÄ… cz"onkami zespo"u HERMES. Rith od czasu uzyskania COLLISIONS BETWEEN SPINNING
w 1974 roku doktoratu, który dotyczy" projektu oraz konstrukcji detektora do badał przy elektrono- PROTONS. Alan D. Krisch; Scienti-
wym synchrotronie w Universität Bonn pracowa" nad rozpraszaniem lepton nukleon. Bra" udzia" fic American, vol. 257, nr 2, ss. 32-
w eksperymentach mion nukleon w CERN ko"o Genewy i przez wiele lat przewodniczy" zespo"owi 40, VIII/1987.
HERMES-a. Jest profesorem fizyki czÄ…stek w Erlangen-Nürnberg Universität w Niemczech. Schäfer THE PARTICLE EXPLOSION. F. E. Close,
zajÄ…" si´ teoriÄ… spinu nukleonu w 1987 roku, gdy po zrobieniu doktoratu zosta" Toleman Prize Fellow M. Marten, i C. Sutton; Oxford
w California Institute of Technology. W"aĘnie zaczyna"o byç g"oĘno o kryzysie spinowym , gdy do- University Press, 1987.
wiedzia" si´, Å»e grupa z tego samego budynku, zajmujÄ…ca si´ konstrukcjÄ… spolaryzowanej tarczy, po- WHERE DOES THE PROTON REALLY
szukuje teoretyka, który pomóg"by jej nadÄ…Å»yç w Ęledzeniu ogromnej liczby ĘwieÅ»o powstajÄ…cych prac GET ITS SPIN? Robert L. Jaffe, Phy-
teoretycznych . Schäfer jest profesorem w Universität Regensburg w Niemczech, gdzie kieruje grupÄ… sics Today, vol. 48, nr 9, ss. 24-30,
zajmujÄ…cÄ… si´ teoriÄ… wysokich energii i chromodynamikÄ… kwantowÄ…. IX/1995.
ÂWIAT NAUKI WrzesieÅ‚ 1999 75
LAURIE GRACE
Ca"kowita asymetria protonu (%)
Polaryzacja spinowa górnego kwarka (%)
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Zagadka 4NUKLEOSYNTEZAzagadki 4Zagadkazagadki 4przykłady i funkcje nukleotydów niewystępujących w kwasach nukleinowychZagadka 2więcej podobnych podstron