199909_zagadka_spinu_nukleonu.pdf

Zagadka spinu nukleonu

Nowa generacja eksperymentw pozwoli lepiej pozna

wciý niedostatecznie zrozumia¸ budow« protonw i neutronw

Klaus Rith i Andreas Schfer

mi czstkami elementarnymi, kt-

re odkryto w tym stuleciu. Na-

zwano je nukleonami, poniewaý znaj-

duj si« w jdrach atomw; tworz po-

nad 99.9% otaczajcej nas materii, w tym

t« oto kartk« i kaýdego z nas. (Pozosta-

¸e 0.1% stanowi elektrony.) Chociaý

80 lat badaÄ eksperymentalnych i teo-

retycznych sporo nas nauczy¸o, to jed-

nak pewne fundamentalne w¸asnoæci

nukleonw wciý zaskakuj i intryguj.

W ostatnim dziesi«cioleciu fizycy mo-

zolili si« nad rozszyfrowaniem pewnej

szczeglnej ¸amig¸wki, zwanej kryzy-

sem spinowym.

Pojawi¸ si« on w zwizku ze skdind

bardzo udanym modelem kwarkw.

îw elegancki i zwarty model teoretycy

wymyælili do opisu zarwno mnstwa

nowych czstek odkrytych w latach

pi«dziesitych i szeædziesitych, jak

i starych znajomych w rodzaju protonu

i neutronu. W¸asnoæci i oddzia¸ywania

tego ca¸ego zoo dawa¸y si« uporzdko-

wa dzi«ki za¸oýeniu, ýe czstki zbudo-

wane s z trzech rodzajw kwarkw,

zwanych grnym, dolnym i dziwnym.

Proton sk¸ada si« z dwu kwarkw

grnych i jednego dolnego; neutron ma

jeden kwark grny i dwa dolne. Wiele

w¸asnoæci nukleonw wynika po pro-

stu ze z¸oýenia w¸asnoæci tworzcych je

kwarkw. Na przyk¸ad ¸adunek elek-

tryczny protonu jest rwny sumie u¸am-

kowych ¸adunkw jego kwarkw: +1 =

2 / 3 + 2 / 3 Ð 1 / 3 . Prby zaobserwowania

pojedynczych kwarkw nie powiod¸y

si« jednak i wielu fizykw uzna¸o, ýe

nie s one rzeczywistymi obiektami, kt-

re da si« bada, lecz jedynie wygodny-

mi poj«ciami matematycznymi, u¸atwia-

jcymi opis oddzia¸ywaÄ.

Pod koniec lat szeædziesitych ze-

sp¸ fizykw z Massachusetts Institute

of Technology i ze Stanford Linear Ac-

celerator Center (SLAC) bada¸ we-

wn«trzn struktur« nukleonw, prze-

puszczajc wysokoenergetyczn wizk«

elektronw przez ciek¸y wodr. Ponie-

waý jdro wodoru stanowi sam proton,

by¸o to niemal rwnoznaczne ze zde-

rzaniem elektronw z czystymi proto-

nami. Na podstawie tego, jak elektrony

zmienia¸y kierunek, wnioskowano o bu-

dowie protonu.

Podobne eksperymenty prowadzono

juý wczeæniej i wszystkie ukazywa¸y

proton jako w gruncie rzeczy kulist,

ãmi«kkÓ grudk« ¸adunku. Tymczasem

przy wyýszych energiach osigalnych

dzi«ki nowemu akceleratorowi w SLAC

niektre elektrony ku zdumieniu wszy-

stkich rozprasza¸y si« tak, jakby trafia¸y

w jakieæ maleÄkie, twarde i na¸adowa-

ne punkty wewntrz protonu. Z poczt-

ku eksperymentatorzy sdzili, ýe pope¸-

niaj b¸d albo natrafili na jakiæ nie

uwzgl«dniony subtelny efekt. Wyniki

okaza¸y si« jednak prawdziwe: znalezio-

no pierwszy dowd istnienia kwarkw.

Obecnie wiadomo juý, ýe na nukle-

ony sk¸adaj si« plsajce jakby w nie-

ustannym taÄcu ulotne czstki, ktre

pojawiaj si« i znikaj. Niektre z nich to

gluony Ð poæredniczce w silnych od-

dzia¸ywaniach. Trzy g¸wne kwarki,

ktre tworz nukleon Ð zwane kwarka-

mi walencyjnymi Ð tam i z powrotem

wymieniaj gluony, co daje efekt silne-

go kleju trzymajcego je razem [patrz:

Frank E. Close i Philip R. Page, ãGlu-

oniaÓ; åwiat Nauki , styczeÄ 1999].

Oprcz trzech kwarkw walencyjnych

i gluonw na bardzo krtko pojawiaj

si« i znikaj pary kwarkw i antykwar-

kw; wszystkie one wp¸ywaj na w¸a-

snoæci nukleonu [ ilustracja obok ].

Wærd nich ogromne znaczenie ma

spin, rodzaj ãwrodzonegoÓ momentu

p«du. Maj go wszystkie tworzce nu-

kleon czstki Ð wszyscy ci taÄczcy der-

wisze musz z¸oýy si« na obserwo-

wany ca¸kowity spin nukleonu. Na

pierwszy rzut oka trzykwarkowy mo-

del nukleonu uwzgl«dnia jego spin: dwa

kwarki mog mie przeciwne, znoszce

si« spiny, a spin pozosta¸ego kwarka

by¸by toýsamy z obserwowanym spi-

nem nukleonu. Rozsdne jest przy tym

za¸oýenie, ýe spiny gluonw i wirtual-

nych par kwarkÐantykwark sumuj si«

w æredniej do zera. Niestety, w rzeczy-

wistoæci okaza¸o si« to nie takie proste.

W po¸owie lat osiemdziesitych z re-

zultatw eksperymentalnych wynika¸o,

ýe spin nukleonu w ogle nie jest po-

chodn spinw jego kwarkw. Ta w¸a-

ænie niespodzianka zrodzi¸a ãkryzys spi-

nowyÓ. Ogromnie wiele pracy w¸oýono

w to, by pogodzi teori« z eksperymen-

tem. Innym zaskoczeniem by¸o to, ýe

kwarki dziwne, zwykle uwaýane za

przynaleýne do egzotycznych czstek

krtko ýyjcych zwizanych z wysoko-

energetycznymi oddzia¸ywaniami, zda-

wa¸y si« odgrywa waýn rol« w struk-

turze spinowej pospolitego nukleonu.

Obecnie teoretycy wierz, ýe potrafi

wyjaæni te cechy, a badania ekspery-

mentalne, prowadzone w laboratoriach

Europy i Stanw Zjednoczonych, wkra-

czaj w now er« w pomiarach spinu

nukleonw z zastosowaniem nowocze-

snych technik i jeszcze wi«ksz precy-

zj. Pozostaje sprawdzi, czy wyniki po-

twierdz nasze przypuszczenia, czy teý

zrodz nowe zagadki Ð i nowy ãkryzysÓ.

Waýnoæ spinu

Wszystko, co kr«ci si« lub porusza wo-

k¸ ustalonego punktu, wykazuje mo-

ment p«du. Ziemia na przyk¸ad ma or-

bitalny moment p«du na skutek swego

rocznego obiegu wok¸ S¸oÄca i we-

wn«trzny moment p«du w wyniku do-

bowego obrotu wok¸ w¸asnej osi. Spin

czstki elementarnej jest odpowiedni-

kiem wewn«trznego momentu p«du, ale

charakteryzuj go specjalne w¸asnoæci

kwantowe. Mechanika kwantowa do-

puszcza jedynie takie spiny, ktre s wie-

lokrotnoæciami maleÄkiej fundamental-

nej wielkoæci, zwanej sta¸ Plancka, czyli

¬ (ktre wymawia si« ãh kreæloneÓ).

Dozwolone s jedynie ca¸kowite i po-

¸wkowe wielokrotnoæci. Wszystkie

wzgl«dnie dobrze znane czstki materii

Ð elektrony, protony, neutrony i kwar-

ki Ð maj najmniejsz moýliw niezero-

w wartoæ spinu, czyli p¸ ¬. Przyj«¸o

si« mwi, ýe te czstki maj spin 1 / 2 .

70 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1999

P rotony i neutrony by¸y pierwszy-

Cztery spojrzenia na proton

1 Przy ma¸ej dok¸adnoæci pomiaru proton wyglda jak ãmi«kkaÓ grudka (szary) o ærednicy oko-

¸o 2 x 10 Ð15 m, z ¸adunkiem +1 i z momentem p«du lub spinem 1 / 2 (strza¸ka) . Dla wirujcego

obiektu strza¸ka wskazywa¸aby kierunek osi obrotu, tak ýe obrt ogldany wzd¸uý strza¸ki

zdawa¸by si« zgodny z kierunkiem ruchu wskazwek zegara. Czstki kwantowe maj ãwro-

dzonyÓ spin ustalonej wielkoæci, co k¸ci si« z naszymi wyobraýeniami na temat obracajce-

go si« przedmiotu wyniesionymi z ýycia codziennego.

2 Model kwarkw opisuje proton jako sum« dwch kwarkw

grnych (zielone) i jednego kwarka dolnego (niebieski) , kt-

rych ¸adunki i spiny si« dodaj, odtwarzajc w¸asnoæci proto-

nu. Cho kaýdy kwark ma spin 1 / 2 , to ca¸kowity spin protonu

teý b«dzie wynosi 1 / 2 , jeæli na przyk¸ad dwa spiny kwarkw

znosz si« z powodu przeciwnych zwrotw.

3 Eksperymenty z koÄca lat szeædziesitych ukazywa¸y kwarki jako punktowe

czstki wewntrz protonu, a teoria chromodynamiki kwantowej (QCD) opi-

sywa¸a si¸« utrzymujc je razem; na rysunku obok si¸a ta zosta¸a przedstawio-

na jako rodzaj elastycznego sznurka (bia¸y). Ten sznurek jest przejawem cz-

stek (gluonw) o spinie 1. Ruch kwarkw i gluonw wewntrz protonu moýe

dawa przyczynek do spinu protonu w postaci orbitalnego momentu p«du.

4 Pe¸ny opis kwantowy QCD dodaje skomplikowany ro-

zedrgany taniec wirtualnych kwarkw i antykwarkw

(czerwone kontury) , w tym kwarkw dziwnych (fioleto-

wy) , ktre na og¸ nie s uwaýane za cz«æ zwyk¸ej ma-

terii. To migawkowe zdj«cie pojedynczej konfiguracji

moýna uzna jedynie za przedsmak wszystkich moýli-

wych niepewnoæci kwantowych i fluktuacji dynamicz-

nych. Dok¸adny opis, jak w taniec wytwarza spin pro-

tonu, jest wciý zbyt trudny do obliczenia i jedynie

stopniowo udaje si« go odtworzy w eksperymentach.

KWARK GîRNY

KWARK DOLNY

KWARK DZIWNY

ANTYKWARK

GLUON

SPIN 1 / 2

SPIN 1

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1999 71

ATOM WODORU O SPINIE 0

MASA = 0.9 GeV

ATOM WODORU O SPINIE 1

MASA = 0.9 GeV + 6 x 10 Ð15 GeV

wania i nie¸atwo poradzi sobie z ko-

niecznymi obliczeniami.

W istocie, poniewaý gluony oddzia¸u-

j silnie mi«dzy sob, QCD jest teori

ãnieliniowÓ: nawet ma¸a zmiana wa-

runkw moýe spowodowa wielki efekt.

Dynamika nieliniowa zajmuje istotne

miejsce w teorii chaosu. Prowadzone

w ostatnich latach liczne badania uk¸a-

dw chaotycznych wykaza¸y, jak bywa-

j one z¸oýone. Co wi«cej, QCD jest

kwantow teori pola, z czego wynika,

ýe wirtualne kwarki i gluony podlega-

j cig¸ej kreacji i anihilacji; trzeba

uwzgl«dnia ich indywidualne, krtkie,

lecz przenikliwe oddzia¸ywania. I jak-

by tego nie by¸o dosy, z zasady nie-

oznaczonoæci wynika, ýe kwarki, æci-

æni«te w maleÄkiej obj«toæci protonu lub

neutronu, musz si« porusza z pr«d-

koæci blisk pr«dkoæci æwiat¸a.

Pod pewnymi wzgl«dami w chromo-

dynamice kwantowej spin jest waýniej-

szy niý w fizyce atomowej. Na przyk¸ad

atom wodoru ma spin zero lub jeden

w zaleýnoæci od tego, czy spiny protonu

i krýcego wok¸ niego elektronu s

wzgl«dem siebie rwnoleg¸e, czy an-

tyrwnoleg¸e [ ilustracja obok ]. Jednak-

ýe rýnica energii w tych dwch przy-

padkach jest maleÄka. Jako przeciwieÄ-

stwo rozwaýmy czstk« zwan D + (del-

ta plus, gdzie plus wskazuje na jej ¸a-

dunek elektryczny rwny +1). Zbudo-

wana jest ona z takich samych trzech

kwarkw co proton, ale ze spinami sk¸a-

dajcymi si« na 3 / 2 zamiast 1 / 2 . D + ma

mas« o 30% wi«ksz niý proton, co

oznacza, ýe zgodne ukierunkowanie spi-

nw wymaga wi«cej energii.

PROTON (SPIN 1 / 2 )

MASA = 0.9 GeV

CZSTKA Æ + (SPIN 3 / 2 )

MASA = 1.2 GeV

STRUKTURA SPINOWA ma wi«ksze znaczenie w przypadku czstek subatomowych niý

w przypadku atomw. W atomie wodoru (a) zgodne skierowanie spinw protonu (szary)

i elektronu (czerwony) zwi«ksza ca¸kowity spin atomu z wartoæci 0 do 1, podczas gdy ma-

sa wzrasta jedynie o kilka milionowych elektronowolta. Czstka D + i proton (b) zbudo-

wane s tak samo Ð z dwu kwarkw grnych oraz jednego kwarka dolnego Ð i rýni si«

jedynie spinem, ale to powoduje, ýe D + jest o 30% ci«ýsza od protonu.

Spin ma zasadnicze znaczenie w okre-

æleniu zachowania si« czstki. Gdyby na

przyk¸ad elektrony mia¸y spin inny niý

1 / 2 , w zupe¸nie odmienny sposb by¸y-

by organizowane w orbitale atomowe.

Tablica okresowa pierwiastkw i ca¸a

chemia zmieni¸yby si« nie do poznania.

Obliczenie spinu czstki z¸oýonej

przez dodanie momentw p«du jej

sk¸adnikw nie jest tak proste jak zsu-

mowanie ¸adunkw elektrycznych,

gdyý z kaýdym momentem p«du zwi-

zany jest okreælony kierunek. Na przy-

k¸ad kierunek spinu Ziemi przedstawia

si« jako strza¸k« wzd¸uý osi jej obrotu,

wskazujc z po¸udnia na p¸noc.

Niemniej jednak obliczanie takich

sum dla atomw, nawet tych z kilku-

dziesi«cioma elektronami, nie nastr«cza

k¸opotw i studenci fizyki tego rodza-

ju zadania rozwizuj na zaj«ciach z me-

chaniki kwantowej. Niestety, nikt nie

poradzi¸ sobie z analogicznymi oblicze-

niami w przypadku kwarkw i glu-

onw, tworzcych protony i neutrony.

cho znane od lat siedemdziesitych,

z powodu swych w¸asnoæci sprawiaj

piekielnie duýo k¸opotw. Nawet dzi-

siaj, stosujc najbardziej wyrafinowane

techniki matematyczne i uýywajc naj-

mocniejszych rwnoleg¸ych kompute-

rw, fizycy nie potrafi precyzyjnie roz-

wiza rwnaÄ dla nukleonu.

Silne oddzia¸ywania wyst«puj, gdy

kwarki wymieniaj gluony. Jest to pro-

ces podobny do pojawienia si« si¸y elek-

tromagnetycznej, kiedy elektrycznie na-

¸adowane czstki wymieniaj fotony.

Jednakýe dwie zasadnicze rýnice czy-

ni QCD matematycznie znacznie trud-

niejsz od elektromagnetyzmu. Po

pierwsze, fotony s elektrycznie oboj«t-

ne i bezpoærednio ãnie wyczuwajÓ in-

nych fotonw, podczas gdy gluony od-

dzia¸uj mi«dzy sob. Po drugie, silne

oddzia¸ywanie jest oko¸o 100 razy sil-

niejsze niý elektromagnetyzm (std

jego nazwa). Dla wzgl«dnie s¸abego od-

dzia¸ywania, jakim jest elektromagne-

tyzm, najprostsze procesy daj najwi«k-

sze efekty, a bardziej skomplikowane

uwzgl«dnia si« jedynie w celu zwi«k-

szenia dok¸adnoæci. Natomiast w sil-

nych oddzia¸ywaniach wielki udzia¸

mog mie bardzo skomplikowane pro-

cesy obejmujce wielokrotne oddzia¸y-

ãMikroskopyÓ leptonowe

Eksperymentatorzy badaj zwykle

struktur« nukleonw, bombardujc zbu-

dowane z nich tarcze wizkami wysoko-

energetycznych czstek, takich jak elek-

trony czy miony (mion jest ci«ýszym,

niestabilnym kuzynem elektronu). Te

czstki, zwane leptonami, s oboj«tne

wzgl«dem silnych oddzia¸ywaÄ, tak

wi«c ich zderzeniami rzdzi elektro-

magnetyzm. Poza tym leptony zdaj si«

zachowywa jak doskona¸e bezwymia-

rowe punkty, co znacznie upraszcza

opis matematyczny ich oddzia¸ywaÄ

z nukleonami i czyni go bardzo dobrze

zrozumia¸ym; trudnoæci zwizane s

z faktem, ýe nukleon ma wewn«trzn

struktur«, a nie z uýyciem czstki jako

pocisku.

Kiedy elektron lub mion przechodzi

obok nukleonu w tarczy, dzia¸a na nie-

go si¸a ¸adunkw elektrycznych wcho-

dzcych w sk¸ad nukleonu. W j«zyku

kwantowej teorii pola lepton i nukleon

K¸opot z QCD

Problem tkwi w teorii opisujcej silne

oddzia¸ywania zwanej chromodynami-

k kwantow, czyli QCD. Jej rwnania,

72 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1999

Odkrywanie spinowej struktury nukleonu

Spolaryzowana wizka elektronw lub mionw (ãleptonwÓ) z akceleratora kierowana jest na tarcz« spolaryzowanych nukle-

onw. Detektory mierz odchylenia i straty energii leptonw. W obecnie prowadzonych eksperymentach mierzy si« takýe szczt-

ki nukleonu, aby okreæli rodzaj kwarka, z ktrym nastpi¸o zderzenie powodujce odchylenie leptonu.

ROZPROSZONY

LEPTON

WIZKA LEPTONîW

TARCZA

SZCZTKI

NUKLEONU

DETEKTORY

Lepton ulega odchyleniu, kiedy wymienia foton z jednym z kwarkw nukleonu. Leptony o spinach u¸oýonych zgodnie z kierun-

kiem wizki oddzia¸uj prawie wy¸cznie z kwarkami, ktre maj przeciwnie skierowany spin (poniýej z lewej) . Kiedy polaryza-

cja wizki (lub polaryzacja nukleonu) zmienia si« na przeciwn (poniýej z prawej) , leptony oddzia¸uj z innymi kwarkami, co da-

je odmienny rozk¸ad ktw rozpraszania i strat energii. Rýnica obrazuje asymetri« spinow kwarkw w nukleonie.

Jeæli ujemnie na¸adowany kaon zostanie wyrzucony z nukleonu z duý ener-

gi (poniýej z lewej) , oznacza to, ýe foton prawdopodobnie trafi¸ w jeden z jego

sk¸adnikw Ð kwarka dziwnego lub antykwarka grnego. Zliczajc odchylenia

leptonw w takich sytuacjach, fizycy wyznaczaj polaryzacj« tych kwarkw.

W eksperymencie HERMES (zdj«cie) wizka elektronw biegnie wewntrz du-

ýej szarej rury w stron« magnesu spektrometru (niebieski) . Tarcza i kilka ma-

¸ych detektorw zainstalowanych zosta¸o przed magnesem, g¸wne detektory cz-

stek zaæ znajduj si« za nim.

K Ð (KAON)

å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1999 73

KIERUNEK WIZKI

POLARYMETR POPRZECZNY

podczas przejæcia przez amoniak tarczy

i pomiary by¸yby niezbyt dok¸adne.

Badajc spinow struktur« nukleonu

przy wyýszych energiach, grupa z

CERN dokona¸a zdumiewajcego od-

krycia: spiny kwarkw maj bardzo ma-

¸y udzia¸ w spinie protonu. W dodatku

okaza¸o si«, ýe wirtualne kwarki dziw-

ne wewntrz protonu s silnie spola-

ryzowane i daj zaskakujco duýy, bo

10-procentowy, przyczynek do ca¸ko-

witego spinu, a co wi«cej, wskazujcy

w z¸ym kierunku!

Kilka lat pniej dzi«ki niebywa¸emu

post«powi technicznemu w uzyskiwa-

niu silnie spolaryzowanych wizek

i tarcz przystpiono do nowej generacji

eksperymentw o znacznie wi«kszej do-

k¸adnoæci pomiarw. Oprcz najnow-

szych technologii wszystkie one wyma-

ga¸y organizacji na wielk skal«, tak jeæli

chodzi o si¸« robocz, jak i ærodki pie-

ni«ýne. Spinowa Wsp¸praca Mionowa

(SMC Ð Spin Muon Collaboration) prze-

j«¸a aparatur« z wczeæniejszego ekspery-

mentu w CERN, podmieniajc tarcz« na

now d¸ugoæci 1.2 m (najd¸uýsz, jak

dotd zbudowano), wykonan z deute-

ru (wodr z dodatkowym neutronem

w jdrze). Nowe eksperymenty podj«to

rwnieý w SLAC, gdzie uýyto materia-

¸w tarczy zawierajcych wodr lub

deuter, a takýe hel 3. Hel 3 ma jeden

neutron i dwa protony o przeciwnych

spinach, ktre si« znosz. Eksperymen-

ty z deuterem i z helem 3 dostarczaj

waýnych informacji o spinowej budo-

wie neutronu, ktra powinna by bar-

dzo podobna do budowy protonu.

HALE EKSPERYMENTîW

MAGNES

DO OBRACANIA SPINU

MAGNES

DO OBRACANIA SPINU

POLARYMETR PODüUûNY

HERMES

ZDERZACZ HERA przyspiesza elektrony w pieræcieniu akumulacyjnym o obwodzie d¸u-

goæci 6.3 km. Elektrony (czerwone) wykonuj oko¸o 47 tys. obiegw na sekund«, stale emi-

tujc twarde promienie X, tzw. promieniowanie synchrotronowe (czarne) . Stopniowo,

w czasie oko¸o 30 min, promieniowanie synchrotronowe polaryzuje spiny elektronw

w kierunku prostopad¸ym do kierunku wizki (stuprocentowa polaryzacja jest moýliwa,

ale w praktyce uzyskuje si« zwykle 60% polaryzacji). Tarcza i detektory HERMES-a (nie-

bieskie) zajmuj wschodni hal« eksperymentaln; trzy inne eksperymenty (brzowy) rw-

nieý korzystaj z akceleratora HERA. Specjalne magnesy (ý¸ty) tak obracaj spiny, by

przed punktem zderzenia w HERMES-ie mia¸y polaryzacj« zgodn z kierunkiem wizki,

a po przejæciu tego punktu z powrotem wraca¸y do polaryzacji poprzecznej. Polarymetry

mierz stopieÄ polaryzacji.

wymieniaj foton, przekazujc energi«

od jednego do drugiego i odchylajc lep-

ton [ ilustracja na poprzedniej stronie ]. Na

podstawie dok¸adnych pomiarw od-

chyleÄ leptonw i strat ich energii

w zderzeniach moýna sobie wyobrazi,

jak ¸adunki elektryczne Ð na przyk¸ad

te niesione przez kwarki Ð roz¸oýone s

wewntrz nukleonu.

Akcelerator (ktry przyspiesza lep-

tony) i detektor (ktry wy¸apuje te od-

chylone w tarczy) tworz razem rodzaj

gigantycznego mikroskopu. Ze wzro-

stem p«du wymienianego fotonu mi-

kroskop pokazuje coraz bardziej szcze-

g¸owo budow« nukleonu. W celu

wydobycia detali wielkoæci kilku pro-

cent rozmiaru nukleonu potrzebna jest

zwykle energia leptonu rz«du 100 GeV.

(1 GeV to typowa jednostka energii sto-

sowana w fizyce QCD; jest ona w przy-

bliýeniu rwna masie protonu lub neu-

tronu w spoczynku.)

Do badaÄ spinowej struktury nukle-

onu spiny zarwno czstek wizki, jak

i tarczy musz by spolaryzowane, czy-

li zgodnie skierowane. Podstawowym

oddzia¸ywaniem mi«dzy leptonem i

kwarkiem tarczy pozostaje w dalszym

cigu wymiana fotonu, ale jeæli oæ spinu

leptonu wizki jest skierowana wzd¸uý

wizki, leptony b«d przede wszystkim

wymienia fotony z kwarkami o prze-

ciwnie zorientowanym spinie. Tak wi«c

na podstawie odchyleÄ leptonw moý-

na wnioskowa o rozk¸adzie kwarkw

z okreælon orientacj spinu w nukleonie.

W szczeglnoæci pomiary przeprowa-

dzone najpierw z jedn, a nast«pnie

z przeciwn polaryzacj wizki (lub tar-

czy) ujawni brak symetrii spinw kwar-

kw Ð brak rwnowagi mi«dzy spinami

rwnoleg¸ymi i antyrwnoleg¸ymi.

Pierwsze eksperymenty z polaryza-

cj przeprowadzone zosta¸y w SLAC

w pnych latach siedemdziesitych.

Uýyto w nich wizki elektronw i krio-

genicznej tarczy z butanolu (C 4 H 9 OH).

Rezultaty opublikowane na pocztku

lat osiemdziesitych potwierdzi¸y prze-

widywania, ýe 60% spinu protonu po-

chodzi od jego kwarkw i ýe wk¸ad od

kwarkw dziwnych jest bardzo ma¸y.

Istotnym ograniczeniem danych by¸a

jednakýe wzgl«dnie niska energia wiz-

ki elektronw w SLAC (10Ð20 GeV), a

wnioski zaleýa¸y od rozsdnej ekstra-

polacji do wyýszych energii.

W po¸owie lat osiemdziesitych ze-

sp¸ fizykw tworzcych Europejsk

Wsp¸prac« Mionow (EMC Ð Europe-

an Muon Collaboration), rozpocz¸ w

CERN, Europejskim Laboratorium Fi-

zyki Czstek w pobliýu Genewy, eks-

perymenty z wizk mionw o energii

200 GeV i ze spolaryzowan tarcz z ze-

stalonego amoniaku (NH 3 ). Wizka pro-

tonw z akceleratora s¸uýy¸a do wytwo-

rzenia wizki wysokoenergetycznych

pionw, rozpadajcych si« w locie na

miony, z ktrych 80Ð90% by¸o spola-

ryzowanych. Jednakýe intensywnoæ

otrzymanej w ten sposb wizki mio-

nw stanowi¸a zaledwie jedn milio-

now intensywnoæci spolaryzowanej

wizki elektronw w SLAC. Aby skom-

pensowa ubstwo tej wizki, krioge-

niczne tarcze EMC mia¸y 72 cm d¸ugo-

æci. Krtsza sprawi¸aby, ýe zbyt ma¸o

mionw oddzia¸ywa¸oby z protonem

HERMES i plany na przysz¸oæ

W 1988 roku mi«dzynarodowy ze-

sp¸ (w ktrym pracowa¸ jeden z nas,

Rith) zaproponowa¸, aby do pomiarw

spinu nukleonu wykorzysta akcele-

rator przeciwbieýnych wizek elek-

tronÐproton o nazwie HERA, znajdu-

jcy si« w oærodku badawczym DESY

w Hamburgu. Wkrtce zesp¸ ten za-

cz«to nazywa HERMES (od HERa

MEasurement of nucleon Spin).

Elektrony obiegaj pieræcieÄ zde-

rzacza HERA oko¸o 47 tys. razy na se-

kund«, dajc wizk«, ktra jest ærednio

10 tys. razy intensywniejsza niý wizka

w SLAC [ ilustracja powyýej ]. Moýna j

wykorzysta do bombardowania niskiej

g«stoæci gazowych tarcz z atomowo czy-

stego wodoru, deuteru lub helu 3. Ta-

kie tarcze pozwalaj unikn ãrozcieÄ-

czeniaÓ spinw, efektu pojawiajcego

si« w tarczach z butanolu czy amoniaku,

ktre maj wiele niespolaryzowanych

protonw i neutronw w swoich ato-

mach w«gla, azotu i tlenu.

74 å WIAT N AUKI WrzesieÄ 1999

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: