Протонный спиновой кризис - Википедия - Proton spin crisis

Вопрос, Web Fundamentals.svgНерешенная проблема в физике:
Как кварки и глюоны переносят спин протонов?
(больше нерешенных задач по физике)

В кризис спина протона (иногда называемая «загадкой спина протона») - теоретический кризис, вызванный экспериментом 1987 года.[1] который пытался определить спиновую конфигурацию протон. Эксперимент проводился Европейское мюонное сотрудничество (ЭМС).[2]

Физики ожидали, что кварки нести весь протон вращение. Однако не только полный спин протона, переносимый кварками, был намного меньше 100%, эти результаты соответствовали почти нулю (4–24%[3]) спин протона переносится кварками. Этот удивительный и загадочный результат был назван «кризисом спина протона».[4] Проблема считается одной из важных нерешенные проблемы физики.[5]

Фон

Ключевой вопрос заключается в том, как спин нуклона распределяется между его составляющими. партоны (кварки и глюоны ). Компоненты спина протона - это математические ожидания отдельных источников углового момента. Эти значения зависят от перенормировка масштаб, потому что их операторы отдельно не сохраняются.[6] Первоначально физики ожидали, что кварки несут весь спин нуклона.

Протон состоит из трех валентных кварков (двух до кварков и один вниз кварк ), виртуальные глюоны и виртуальный (или же море) кварки и антикварки (виртуальные частицы не влияют на квантовые числа протона). Правящая гипотеза заключалась в том, что, поскольку протон стабилен, то он существует на самом низком уровне энергии. Поэтому ожидалось, что кварк волновая функция сферически симметричный s-волна без пространственного вклада в угловой момент. Протон, как и каждый из его кварков, является частицей со спином 1/2. Поэтому была выдвинута гипотеза, что два кварка имеют спины, параллельные протону, а спин третьего кварка противоположен.

Эксперимент

В этом эксперименте EMC кварк поляризованной протонной мишени был поражен поляризованным мюон пучка, и был измерен мгновенный спин кварка. В поляризованной протонной мишени спин всех протонов принимает одно направление, и поэтому ожидалось, что спин двух из трех кварков компенсируется, а спин третьего кварка поляризован в направлении спина протона. Таким образом, сумма спина кварков должна была быть равна спину протона.

Вместо этого эксперимент показал, что количество кварков со спином в направлении спина протона было почти таким же, как количество кварков, спин которых был в противоположном направлении. Это кризис спина протона. Подобные результаты были получены в более поздних экспериментах.[7]

Недавняя работа

Работа 2008 года показывает, что более половины спина протона обусловлено спином его кварков, а недостающий спин создается орбитальным движением кварков. угловой момент.[8] В этой работе релятивистские эффекты используются вместе с другими квантовая хромодинамика свойств и объясняет, как они сводятся к общему пространственному угловому моменту, который согласуется с экспериментальными данными. В работе 2013 года показано, как рассчитать вклад глюонной спиральности с помощью решеточной КХД.[9] Недавний Монте-Карло Расчет показывает, что 50% спина протона обусловлено поляризацией глюона.[10] Результаты 2016 г. RHIC указывают на то, что глюоны могут нести даже больше спина протонов, чем кварки.[11]

Рекомендации

  1. ^ Ashman, J .; Баделек, Б .; Baum, G .; Beaufays, J .; Bee, C.P .; Benchouk, C .; и другие. (1988). «Измерение спиновой асимметрии и определение структурной функции g1 в глубоконеупругом рассеянии мюонов на протонах». Письма по физике B. Elsevier BV. 206 (2): 364–370. Bibcode:1988ФЛБ..206..364А. Дои:10.1016/0370-2693(88)91523-7. ISSN  0370-2693.
  2. ^ Ashman, J .; Сотрудничество EMC (1988). «Измерение спиновой асимметрии и определение структурной функции g1 в глубоконеупругом рассеянии мюонов на протонах» (PDF). Письма по физике B. 206 (2): 364. Bibcode:1988ФЛБ..206..364А. Дои:10.1016/0370-2693(88)91523-7.
  3. ^ «Неужели ученые наконец-то приблизились к пониманию того, откуда берется спин протона?».
  4. ^ Лондерган, Дж. Т. (2009). «Нуклонные резонансы и кварковая структура». Международный журнал современной физики E. 18 (5–6): 1135–1165. arXiv:0907.3431. Bibcode:2009IJMPE..18.1135L. Дои:10.1142 / S0218301309013415. S2CID  118475917.
  5. ^ Ханссон, Йохан (июль 2010 г.). «Кризис протонного спина - квантовый вопрос» (PDF). Успехи в физике. Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-05-04.
  6. ^ Цзи, Сяндун; Юань, Фэн; Чжао, Юн (2020-09-02). «Спин протона через 30 лет: что мы знаем, а что нет?». arXiv:2009.01291 [геп-ph ].
  7. ^ Джаффе, Р. (1995). "Где на самом деле вращается протон?" (PDF). Физика сегодня. 48 (9): 24–30. Bibcode:1995ФТ .... 48и..24Дж. Дои:10.1063/1.881473. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-04-16. Получено 2013-02-11.
  8. ^ Томас, А. (2008). «Взаимодействие спина и орбитального углового момента в протоне». Письма с физическими проверками. 101 (10): 102003. arXiv:0803.2775. Bibcode:2008PhRvL.101j2003T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.101.102003. PMID  18851208. S2CID  18761490.
  9. ^ Цзи, Сяндун; Чжан, Цзянь-Хуэй; Чжао, Юн (10.09.2013). "Физика вклада глюонной спиральности в спин протона". Письма с физическими проверками. 111 (11): 112002. arXiv:1304.6708. Bibcode:2013PhRvL.111k2002J. Дои:10.1103 / PhysRevLett.111.112002. PMID  24074075. S2CID  38560063.
  10. ^ Басс, Стивен Д. (2017-03-06). "Точка зрения: вращение глюонов в протоне". Физика. 10. Дои:10.1103 / Физика.10.23.
  11. ^ Уолш, Карен Макналти (16.02.2016). "Физики увеличивают вклад глюонов в спин протона". Phys.org.

внешняя ссылка