美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家，开发出一种非侵入性的方法，可以在相对论重离子对撞机(RHIC)上测量极化质子的“自旋调谐”，这是维持这些自旋粒子排列的重要因素。这项技术类似于磁共振成像(MRI)操纵质子自旋以“看到”体内结构的方式。就像核磁共振一样，这项技术可以用作“诊断”工具，在这种情况下，它可以提高对撞机的性能，因为它探索了质子的内部组成是如何影响质子自旋的。
布鲁克海文实验室对撞机加速器部门的负责人托马斯·罗瑟(Thomas Roser)说：为了了解质子的构成要素（夸克和胶子）是如何促成自旋的，我们让质子束发生碰撞，这些质子各个自旋方向是‘极化的’，这意味着尽可能地对齐，但是外力和一些测量偏差的方法可以使光束“去偏”。这项新技术测量了质子进动的幅度和频率（这些旋转粒子的轴线偏离其完美排列路径的圆形偏差）而不会破坏质子束的稳定。
是什么让质子摇摆？
当加速器运转时，可以非侵入性地测量进动，这给了我们信息，可以用来进行调整，保持质子对齐。对于相对论重离子对撞机或任何圆形加速器中的极化光束，每个质子束的平均自旋方向与加速器磁场一致。但就像旋转的陀螺开始摆动一样，质子轴有时会开始绕着偏离完美排列的圆形路径旋转，这种摆动被称为进动。如果某些外部来源，如磁场中的小缺陷，与进动频率同步，就会放大质子的摆动，导致光束去极化。
已经有其他方法来测量进动频率，但迄今为止使用的技术有效地导致了这种测量试图避免的去极化。新新方法在不使光束去偏的情况下测量进动频率，这样就可以进行校正以保持质子对齐，甚至在需要的时候反转它们的自旋方向。这项新技术工作原理类似于核磁共振扫描的工作方式：首先，强大的磁场使所有质子的自旋对准，然后科学家施加可变频率的外部电磁场，搜索质子轴开始偏离稳定的频率。
这就像调谐一个老式的收音机旋钮来搜索电台，关键是要在不引发失稳的情况下接近倾倒频率。在磁共振成像中，质子进动产生的信号提供了关于内部结构的信息。在相对论重离子对撞机中，提供了关于如何调整加速器磁铁以保持光束偏振的信息。这项新技术将为相对论重离子对撞机的核物理研究，带来更稳定和优化的操作，也可以用于计划位于美国的极化电子-离子对撞机。
博科园｜研究/来自：布鲁克海文国家实验室
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.204803
关键词：夸克、胶子、质子