质子为什么会自旋?物理学给出答案!

质子的三个价电子夸克有助于它的自旋,胶子、海夸克和反夸克以及轨道角动量也是如此(www.pbw.net.cn)。你可以把宇宙中的任何粒子和其他任何东西分离开来,但是有些性质是永远不能被拿走的。这些是粒子本身固有的物理性质,比如质量、电荷或角动量,对于任何单个粒子都是一样的。有些粒子是基本粒子,比如电子,它们的质量、电荷和角动量也是基本粒子。但其他粒子是复合粒子,比如质子。虽然质子的电荷(+1)是由三个夸克组成的(两个上夸克,一个下夸克)之和决定的,但它的角动量要复杂得多。就像电子一样,仅仅把组成它的三个夸克的自旋相加是不够的。

质子的结构,以及伴随场,表明三个价夸克不能单独解释质子的自旋,而只能解释它的一小部分。两个上夸克,两个相同的粒子,处于基态,你会认为泡利不相容原理会阻止这两个相同的粒子占据相同的状态,所以一个是+1/2,另一个是-1/2。因此,你会推断,第三夸克(下夸克)会给你1/2的自旋。但后来实验来了,结果相当出人意料:当高能粒子撞击质子时,质子内部的三个夸克(上、上、下)只对质子的自旋贡献了大约30%。

质子的内部结构,有夸克、胶子和夸克自旋。这三个组成部分加起来可能不那么简单,原因有三。

夸克不是自由的,而是被束缚在一个小结构里:质子。限制一个物体可以改变它的自旋,所有三个夸克都是非常有限的。里面有胶子,胶子也会自旋。胶子自旋可以有效地“屏蔽”夸克自旋在质子范围内的影响。最后,还有使夸克离域的量子效应,使夸克不能像粒子那样精确地存在于一个地方,需要更像波的分析。这些效应还可以减少或改变质子的整体自旋。换句话说,缺失的70%是真实的。

随着更好的实验和理论计算的出现,我们对质子的理解变得更加复杂,胶子、海夸克和轨道相互作用开始发挥作用。也许,你会想,那只是三个价电子夸克,而量子力学,从胶子场,可以自发地产生夸克/反夸克对。这部分是正确的,对质子质量有重要贡献。但就质子的角动量而言,这些“海夸克”可以忽略不计。

标准模型的费米子(夸克和胶子),反费米子(反夸克和反轻子),所有自旋都等于1/2,玻色子(整数自旋),一起显示。也许胶子是一个重要的贡献者?毕竟,基本粒子的标准模型充满了自旋为1/2的费米子(夸克和轻子),以及光子、w - z和胶子等玻色子,所有这些自旋都为1。(还有希格斯粒子,自旋= 0,如果量子引力是真实的,自旋= 2的引力子。)考虑到质子内部所有的胶子,它们可能也很重要?

通过在一个复杂的探测器内高能碰撞粒子,比如布鲁克黑文在RHIC的PHENIX探测器,已经引领了测量胶子自旋贡献的方式。有两种方法可以验证这一点:实验和理论。从实验的观点来看,你可以在质子内部碰撞粒子,测量胶子的反应。最有助于质子的胶子作出大贡献的总体势头被质子的角动量:约40%,不确定性的±10%。有了更好的实验装置(这需要一个新的电子/离子对撞机),我们就可以探测到动量更小的胶子,获得更高的精确度。

当两个质子碰撞时,不仅仅是夸克组成了它们,还有海洋夸克,胶子,除此之外,还有场的相互作用。所有这些都可以提供对单个组件自旋的洞察。但是理论计算也很重要!随着超级计算机的能力呈指数级增长,一种被称为晶格量子色动力学的计算技术在过去几十年里一直在稳步改进。晶格量子色动力学现在可以预测胶子对质子自旋的贡献是50%,同样有几个百分点的不确定性。最值得注意的是,计算表明,有了这个贡献,夸克自旋的胶子筛选是无效的;夸克必须从另一种效果中屏蔽出来。

随着计算能力和晶格QCD技术的不断提高,质子的各种物理量,如其组成部分自旋负离子的计算精度也在不断提高。剩下的20%必须来自轨道角动量,胶子甚至虚介子围绕着三个夸克,因为“海夸克”无论在实验上还是理论上都可以忽略不计。

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