Протонный спиновой кризис
Кризис спина протона (или загадка спина протона ) — это теоретический кризис, вызванный экспериментом 1987 года, проведенным Европейским мюонным сотрудничеством (EMC). [1] который пытался определить распределение спина внутри протона . [2]
Физики ожидали, что кварки протона несут весь спин . Однако не только общий спин протона, переносимый кварками, был намного меньше 100%, но и эти результаты согласовывались почти с нулевым (4–24% [3] ) спин протона переносится кварками. Этот удивительный и загадочный результат получил название «кризис спина протона». [4] Эта проблема считается одной из важных нерешенных проблем физики . [5]
Фон
[ редактировать ]Ключевой вопрос заключается в том, как спины нуклонов распределяются между их составными частями ( «партонами» : кварками и глюонами ). Компоненты спина протона — это средние значения отдельных источников углового момента. Эти значения зависят от масштаба перенормировки , поскольку их операторы не сохраняются отдельно. [6] Первоначально физики ожидали, что валентные кварки будут нести весь спин нуклона.
Протон состоит из трех валентных кварков (два верхних кварка и один нижний кварк ), виртуальных глюонов и виртуальных (или морских ) кварков и антикварков (виртуальные частицы не влияют на квантовые числа протона). Правящая гипотеза заключалась в том, что, поскольку протон стабилен , он существует на самом низком энергетическом уровне. Поэтому ожидалось, что волновая функция кварка представляет собой сферически-симметричную s-волну без пространственного вклада в угловой момент. Протон, как и каждый из его кварков, представляет собой спин- 1/2 частица ( фермион ) . Поэтому была выдвинута гипотеза, что спины двух кварков будут параллельны, а спин третьего кварка антипараллелен спину протона.
Эксперимент
[ редактировать ]В этом эксперименте по ЭМС кварк поляризованной протонной мишени подвергался воздействию поляризованного мюонного пучка, и был измерен мгновенный спин кварка. В поляризованной протонной мишени спины всех протонов имеют одно и то же направление, и поэтому ожидалось, что спин двух кварков из трех уравновешивается и спин третьего кварка поляризуется в направлении спина протона. Таким образом, ожидалось, что сумма спинов кварков будет равна спину протона.
Вместо этого эксперимент показал, что количество кварков со спином в направлении вращения протона было почти таким же, как количество кварков со спином в противоположном направлении. Это кризис спина протона. Подобные результаты были получены и в более поздних экспериментах. [7]
Последующая работа
[ редактировать ]Статья, опубликованная в 2008 году, показала, что более половины вращения протона обусловлено спином его кварков, а недостающий спин создается орбитальным угловым моментом кварков . [8] В этой работе релятивистские эффекты использовались вместе с другими квантово-хромодинамическими свойствами и объяснялось, как они сводятся к общему пространственному угловому моменту, который согласуется с экспериментальными данными. В статье 2013 года было показано, как рассчитать вклад спиральности глюонов с помощью решеточной КХД. [9]
По словам физика Сяндуна Цзи в 2017 году, решеточная КХД показывает, что «теоретическое ожидание относительно доли спина нуклона, переносимого в спине кварка, составляет около 30%. Таким образом, нет существенного расхождения между фундаментальной теорией и данными». [10]
Расчеты Монте-Карло показали, что 50% спина протона возникает за счет поляризации глюона. [11] Результаты RHIC , опубликованные в 2016 году, показывают, что глюоны могут нести даже большую часть спина протонов, чем кварки. [12] Однако расчеты решеточной КХД в 2018 году показали, что именно орбитальный угловой момент кварка является доминирующим вкладом в спин нуклона. [13]
В бюллетене AAPPS за 2022 год - Ке Фей Лю подсчитал, что спин кварка составляет около 40% углового момента, орбитальный угловой момент кварка составляет около 15%, а орбитальный угловой момент глюона составляет около 40%. Учитывая различные уровни ошибок как в теоретических расчетах, так и в экспериментах, это также согласуется с наблюдаемым экспериментальным вкладом спина кварков, составляющим около 30%. [14]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Эшман, Дж.; Баделек, Б.; Баум, Г.; Бофейс, Дж.; Би, КП; Бенчук, К.; и др. ( Европейское мюонное сотрудничество (EMC)) (1988). «Измерение спиновой асимметрии и определение структурной функции g 1 в глубоконеупругом мюон-протонном рассеянии» . Буквы по физике Б. 206 (2): 364–370. Бибкод : 1988PhLB..206..364A . дои : 10.1016/0370-2693(88)91523-7 . ISSN 0370-2693 . ЦЕРН EP 87-230.
- ^ Эшман, Дж.; и др. ( Европейское мюонное сотрудничество (EMC)) (1988). «Измерение спиновой асимметрии и определение структурной функции g1 в глубоконеупругом мюон-протонном рассеянии» (PDF) . Буквы по физике Б. 206 (2): 364. Бибкод : 1988PhLB..206..364A . дои : 10.1016/0370-2693(88)91523-7 .
- ^ «Учёные наконец-то подошли к пониманию того, откуда возникает спин протона?» . физ.орг . Июнь 2015.
- ^ Лондерган, Дж. Т. (2009). «Нуклонные резонансы и кварковая структура». Международный журнал современной физики Э. 18 (5–6): 1135–1165. arXiv : 0907.3431 . Бибкод : 2009IJMPE..18.1135L . дои : 10.1142/S0218301309013415 . S2CID 118475917 .
- ^ Ханссон, Йохан (июль 2010 г.) [8 марта 2010 г.]. «Кризис спина протона» – квантовый вопрос» (PDF) . Прогресс в физике . 3 : 51–52. Архивировано из оригинала (PDF) 4 мая 2012 г.
- ^ Цзи, Сяндун; Юань, Фэн; Чжао, Юн (02 сентября 2020 г.). «Спин протона через 30 лет: что мы знаем, а что нет?». arXiv : 2009.01291 [ hep-ph ].
- ^ Яффе, Р. (1995). «Где на самом деле вращается протон?» (PDF) . Физика сегодня . Том. 48, нет. 9. С. 24–30. Бибкод : 1995PhT....48i..24J . дои : 10.1063/1.881473 . Архивировано из оригинала (PDF) 16 апреля 2016 г. Проверено 11 февраля 2013 г.
- ^ Томас, А. (2008). «Взаимодействие спина и орбитального углового момента в протоне». Письма о физических отзывах . 101 (10): 102003. arXiv : 0803.2775 . Бибкод : 2008PhRvL.101j2003T . doi : 10.1103/PhysRevLett.101.102003 . ПМИД 18851208 . S2CID 18761490 .
- ^ Цзи, Сяндун; Чжан, Цзянь-Хуэй; Чжао, Юн (10 сентября 2013 г.). «Физика вклада глюонной спиральности в спин протона». Письма о физических отзывах . 111 (11): 112002. arXiv : 1304.6708 . Бибкод : 2013PhRvL.111k2002J . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.112002 . ПМИД 24074075 . S2CID 38560063 .
- ^ Цзи, Сяндун (2017). «Протонная томография посредством глубоко виртуального комптоновского рассеяния». Национальный научный обзор . 4 (2): 213–223.
- ^ Басс, Стивен Д. (06 марта 2017 г.). «Вращающиеся глюоны в протоне» . Точка зрения. Физика . 10:23 . doi : 10.1103/Физика.10.23 .
- ^ Уолш, Карен Макналти (16 февраля 2016 г.). «Физики уделяют особое внимание вкладу глюонов в спин протона» . Физика.орг .
- ^ Деур, А.; Бродский, С.Ю.; де Терамонд, GF (2019). «Спиновая структура нуклона». Отчеты о прогрессе в физике . 82 (76201): 076201.arXiv : 1807.05250 . Бибкод : 2019РПФ...82г6201Д . дои : 10.1088/1361-6633/ab0b8f . S2CID 18954455 .
- ^ Лю, Ке-Фей (декабрь 2022 г.). «Состояние решеточных расчетов спинового распада протона» . Бюллетень ААППС . 32 (1): 8. arXiv : 2112.08416 . дои : 10.1007/s43673-022-00037-4 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Картер, Кандис (2 апреля 2013 г.). «Спины кварков определяют их расположение в протоне» . Физика.орг .