Kryzys wirowania protonu
W jaki sposób kwarki i gluony przenoszą spin protonów?
Kryzys spinu protonu (lub łamigłówka spinu protonu ) to teoretyczny kryzys wywołany eksperymentem z 1987 roku przeprowadzonym przez European Muon Collaboration (EMC), który próbował określić rozkład spinu w protonie .
Fizycy spodziewali się, że kwarki przenoszą cały spin protonu . Jednak nie tylko całkowity spin protonu przenoszony przez kwarki był znacznie mniejszy niż 100%, ale wyniki te były zgodne z prawie zerowym (4 ~ 24%) spinem protonu przenoszonym przez kwarki. Ten zaskakujący i zagadkowy wynik nazwano „kryzysem wirowania protonów”. Problem jest uważany za jeden z ważnych nierozwiązanych problemów w fizyce .
Tło
Kluczowym pytaniem jest, w jaki sposób spiny nukleonów rozkładają się między ich części składowe ( „partony” : kwarki i gluony ). Składowymi spinu protonu są wartości oczekiwane poszczególnych źródeł momentu pędu. Wartości te zależą od renormalizacji , ponieważ ich operatory nie są oddzielnie konserwowane. Fizycy początkowo spodziewali się, że kwarki walencyjne będą przenosić cały spin nukleonu.
Proton zbudowany jest z trzech kwarków walencyjnych (dwóch górnych i jednego dolnego ), wirtualnych gluonów oraz wirtualnych (lub morskich ) kwarków i antykwarków (cząstki wirtualne nie wpływają na liczby kwantowe protonu). Obowiązująca hipoteza głosiła, że skoro proton jest stabilny , to istnieje na możliwie najniższym poziomie energetycznym. Dlatego oczekiwano, że funkcja falowa kwarka jest sferycznie symetryczną falą s bez przestrzennego wkładu w moment pędu. Proton, jak każdy z jego kwarków, ma spin 1/2 cząstki . ( fermion ) Dlatego postawiono hipotezę, że dwa z kwarków będą miały spiny równoległe do protonu, a spin trzeciego kwarku będzie przeciwny.
Eksperyment
W tym eksperymencie EMC kwark spolaryzowanego celu protonowego został uderzony przez spolaryzowaną wiązkę mionów i zmierzono chwilowy spin kwarka. W spolaryzowanej tarczy protonowej wszystkie protony obracają się w tym samym kierunku, dlatego oczekiwano, że spin dwóch z trzech kwarków zniesie się, a spin trzeciego kwarku jest spolaryzowany w kierunku spinu protonu. Zatem oczekiwano, że suma spinów kwarków będzie równa spinowi protonu.
Zamiast tego eksperyment wykazał, że liczba kwarków ze spinem w kierunku wirowania protonu była prawie taka sama jak liczba kwarków, których spin był w przeciwnym kierunku. To jest kryzys wirowania protonów. Podobne wyniki uzyskano w późniejszych eksperymentach.
Późniejsza praca
Artykuł opublikowany w 2008 roku wykazał, że ponad połowa spinu protonu pochodzi ze spinu jego kwarków, a brakujący spin jest wytwarzany przez orbitalny moment pędu kwarków . W tej pracy wykorzystano efekty relatywistyczne wraz z innymi kwantowymi właściwościami chromodynamicznymi i wyjaśniono, w jaki sposób sprowadzają się one do ogólnego przestrzennego momentu pędu, który jest zgodny z danymi eksperymentalnymi. Artykuł z 2013 roku pokazał, jak obliczyć udział helikalności gluonu przy użyciu sieci QCD.
Według fizyka Xiangdong Ji w 2017 r. Lattice QCD pokazuje, że „teoretyczne oczekiwanie dotyczące ułamka spinu nukleonu przenoszonego w spinie kwarku wynosi około 30%. Zatem nie ma istotnej rozbieżności między podstawową teorią a danymi”.
Monte Carlo wykazały, że 50% spinu protonu pochodzi z polaryzacji gluonu. Wyniki z RHIC , opublikowane w 2016 roku, wskazują, że gluony mogą przenosić jeszcze więcej spinu protonów niż kwarki. Jednak w 2018 r. kratowe QCD wykazały, że to orbitalny moment pędu kwarków ma dominujący wkład w spin nukleonu.
W Biuletynie AAPPS z 2022 r . Keh-Fei Liu obliczył, że spin kwarków odpowiada za około 40% momentu pędu, orbitalny moment pędu kwarków za około 15%, a orbitalny moment pędu kleju za około 40%. Biorąc pod uwagę różne słupki błędów zarówno w obliczeniach teoretycznych, jak iw eksperymentach, jest to również zgodne z obserwowanym eksperymentalnym udziałem spinu kwarków wynoszącym około 30%.
Linki zewnętrzne
- Carter, Kandice (2013-04-02). „Spiny kwarków dyktują ich położenie w protonie” . Phys.org .