NICA решит загадку спина протона

Крупное международное совещание «Спин и симметрии – 2014», посвященное работе будущего российского ускорителя NICA, прошло с 11 по 16  февраля в Праге.

Основная тема совещания – подготовка программы по изучению спиновой структуры нуклонов и других поляризационных явлений на коллайдере NICA, строительство которого начинается в Дубне. В докладах участников были затронуты вопросы получения поляризованных пучков протонов и дейтронов на ускорителе NICA, конфигурация экспериментальной установки SPD (Spin Physics Detector) и оптимизация её подсистем, поляриметрия и ряд других тем, связанных с SPD. Кроме того, своим опытом в создании современных экспериментальных установок поделились и участники других экспериментов, в том числе и таких крупных, как ATLAS, CMS и COMPASS.  

  Поляризационными эффектами в физике частиц называют зависимость взаимодействия частиц от взаимной ориентации их спинов и импульсов. Для их исследования необходимы так называемые поляризованные пучки, состоящие из частиц, имеющих одинаковое направление спина. Это достигается пропусканием пучка частиц через сильное магнитное поле. Исследования зависящих от спинов физических величин позволяют устанавливать механизм и свойства взаимодействия, в том числе ядерных реакций, определять характеристики (квантовые числа) рождающихся в столкновениях частиц, анализировать структуру составных элементарных частиц.

  Физика элементарных частиц по большому счету отвечает на два основных вопроса. Первый – из чего все состоит, каковы элементарные кирпичики мироустройства. Второй – как происходит взаимодействие этих кирпичиков и возникает то, что мы видим. Изучение спиновой физики – важнейший инструмент ответа на второй вопрос. В частности оно должно прояснить, как из кварков образуются адроны, к которым относятся, например, протоны и нейтроны.

Проблема исследования структуры адронов заключается в том, что, хотя они и являются составными частицами, их невозможно разбить на части никаким, даже самым сильным столкновением. Поэтому ученым понадобилось много времени, чтобы разработать косвенные методы их изучения, в том числе спиновые.

В настоящее время исследование структуры протона – одна из самых активных задач физики высоких энергий. Это нужно не только физике элементарных частиц. Например, спин протона используется в астрономии при исследовании вселенной, а в медицине с ним связан метод магнитно-резонансной томографии. Так что исследования факторов, влияющих на спин протона, важны для многих задач.  

  Именно со спиновой структурой протона связана одна из наиболее важных нерешенных проблем физики элементарных частиц. Хорошо установленным фактом является то, что протон состоит из трех кварков. Казалось бы, что спин протона должен быть суммой спинов кварков. Но в 1988 году коллаборация EMC ЦЕРНа сообщила, что вклад спинов кварков, составляющих протон, в суммарный спин протона составляет не более трети. Вопрос, откуда берется недостающий спин, вызвал настоящий ажиотаж. Такое положение дел со спиновой структурой протона получило название «спиновый кризис» или иногда «спиновая загадка».

  Оставшийся вклад, по-видимому, приходится на спин глюонов и орбитальные моменты кварков и глюонов. Несмотря на интенсивную работу специализированных экспериментальных установок в Европе и США, спиновый кризис не преодолён до сих пор, и вряд ли это произойдет без спиновых экспериментов следующего уровня. В качестве примера можно указать, что одной из главных целей упомянутого выше эксперимента COMPASS в ЦЕРНе было измерение вклада глюонного спина. Возможно, эту проблему решат исследования на коллайдере NICA.

  Именно ради «спиновой физики» и разрабатывается экспериментальная установка SPD для коллайдера NICA. На ней будет производиться изучение спиновой структуры нуклонов и ядер, а также поляризационных явлений с использованием встречных пучков продольно и поперечно поляризованных протонов и дейтронов (ядер дейтерия, состоящих из связанных протона и нейтрона). Её запуск позволит на качественно новом уровне продолжить традиционные для ОИЯИ исследования. Предполагаемый пуск детектора состоится в 2017-2018 годах.

По материалам http://theor.jinr.ru/~praha/2014/