SMC: Hoe tollen quarks?

In de Spin Muon Collaboratie (SMC) werken 150 fysici aan een experiment op CERN om de spinrichting van quarks in protonen en neutronen te meten.


Op de voorgrond is de gepolariseerde trefplaatopstelling zichtbaar met daarachter de detectoren.
In de gele hutten aan de rechterkant bevindt zich alle elektronica.

Spin is de hoeveelheid van draaiing van een deeltje dat om zijn as tolt. Voor een linksom draaiend deeltje is de spinrichting omhoog; voor een rechtsom draaiend deeltje omlaag. Elektrische lading op zo'n ronddraaiende tol geeft een kringstroompje en veroorzaakt een magnetische dipool. In een magneetveld richten geladen deeltjes met spin zich daarom als kompasnaaldjes. De mate waarin de spins gericht zijn, noemen we polarisatie.

Protonen en deuteronen (atoomkernen die uit een proton en een neutron bestaan) gedragen zich als heel zwakke dipoolmagneetjes; zij hebben spin. Door gebruik te maken van verscheidene technieken op het gebied van microgolven, supergeleiding en lage temperaturen zijn we er bij het SMC-experiment in geslaagd om een grote hoeveelheid protonen en deuteronen te polariseren. Tijdens de metingen onderzochten we vervolgens de quarks in de protonen en deuteronen. De vraag die we wilden beantwoorden was: hebben de quarkspins een voorkeursrichting ten opzichte van de spin van het proton of neutron waarin ze zitten opgesloten? (Zie figuur 1)

Om dat te onderzoeken werden muonen op trefplaten van gepolariseerde protonen en deuteronen geschoten. Muonen ontstaan samen met neutrino's bij het verval van kortlevende deeltjes die met de deeltjesversnellers van CERN worden gemaakt. Dankzij een mysterieuze eigenschap van neutrino's, die altijd een linkshandige spin hebben, zijn de muonen gepolariseerd. Deze polarisatie speelt een rol in de botsingen met quarks: de kans op een botsing is groter wanneer een quark en een muon tegengestelde spin hebben.

Figuur 2. Het trefplaatmateriaal is omgeven door een solenoïde en een dipoolspoel (a). Waneer de stroom door deze spoelen verandert op de aangegeven wijze (b), keert de richting van het magneetveld om (c). De magnetische dipooltjes (gepolariseerde protonen en deuteronen) volgen, zoals met de kompasnaaldjes is aangegeven (d).

We hebben nu bekeken of er een verschil in botsingskans optrad wanneer we de polarisatierichting in de trefplaat omkeerden (figuur 2). Zo'n verschil, uitgedrukt in de asymmetrie A, duidt op een voorkeursrichting van de quarkspins in het proton en het deuteron. De muonen werden na de botsing afgebogen in een magneetveld en hun sporen werden gedetecteerd in dradenkamers (figuur 3). Uit de reconstructie van de muonsporen kan worden afgeleid of het quark waarmee een muon in botsing was getreden, naar verhouding veel of weinig massa en impuls van het proton (of neutron) vertegenwoordigt. Deze verhouding noemen we de impulsfractie x van het quark.

Figuur 3. Overzicht van de meetopstelling van het SMC-experiment.

De resultaten in figuur 4a laten zien dat we voor het proton een asymmetrie hebben gevonden: quarks met grote x zijn in de proton-spinrichting gepolariseerd. Voor quarks met kleine x verdwijnt die voorkeur. Voor het deuteron (figuur 4b) is de asymmetrie kleiner. Dit komt doordat het deuteron ook een neutron bevat en daarin zijn de rollen van quarks met lading 2/3 en -1/3 omgekeerd. Zijn in het proton quarks met lading 2/3 in de richting van de protonspin gepolariseerd, in het neutron wijzen ze in tegengestelde richting.

Figuur 4. De experimenteel bepaalde asymetrie van de botsingskans bij polarisatie van bundel en trefplaat en als functie van de quarkimpulsfractie x. Bij kleine x is de asymetrie nul. Als x groter wordt, neemt ook de asymetrie toe. De kromme is aangepast aan de meetpunten voor het proton. De meetpunten voor het deuteron liggen er duidelijk onder.

Als we de quarkspinbijdragen voor alle waarden van x bij elkaar optellen, vinden we maar de helft van de waarde die 20 jaar geleden door de theorie werd voorspeld. Dit tekort aan polarisatie van de quarks in het proton en het neutron is nu onomstotelijk aangetoond in het SMC-experiment en ook in experimenten bij SLAC (Stanford) en bij DESY (Hamburg). Als volgende stap willen we gluonen, de dragerdeeltjes van de sterke kernkracht, onderzoeken. Het is namenlijk nog lang niet duidelijk hoe groot die spin-voorkeursrichting van gluonen is. Mochten ze sterk gepolariseerd zijn, dan zou dit het gebrek aan polarisatie van de quarks op een natuurlijke manier kunnen verklaren. Toekomstige experimenten zullen hierover uitsluitsel moeten geven.

Terug naar de index.