质子自旋之谜的新线索

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newqqkj/newwl/2014/0725/24663.html

图片来源：布鲁克海文国家实验室

 

恒定的自旋是质子的固有属性，像质量、电荷量一样。但至今质子自旋的来源仍是个谜，这被称为“质子自旋危机”。最初，物理学家认为质子自旋是组成它的三个夸克自旋的总和，但1987年的一个实验却显示夸克仅能解释质子自旋的一小部分，那剩余的部分如何解释呢？质子内的夸克是被胶子捆绑在一起，因此科学家认为或许胶子也是是质子自旋的原因。这一想法目前得到了两项研究的支持，这两项研究分析了在相对论重离子对撞机（RHIC，位于纽约艾普敦的布鲁克海文国家实验室）中得到的质子对撞结果。

 

物理学家常常将自旋解释为粒子的旋转，但这样描述的比喻意味更浓一些，实际上自旋是不能由经典物理术语描述的量子特性。正如质子不是一个极小的实体而是一团幽灵般时隐时现的粒子，它的自旋也是一种概率属性，但总等于1/2。

 

夸克的自旋同样为1/2。物理学家最初假定质子中的三个夸克有两个自旋方向总是相反，相互抵消，余下一个夸克作为质子的总自旋。“这是25年前的简单想法，”布宜诺斯艾利斯大学的丹尼尔?德?弗洛里安（他是一篇7月2日发表在《物理评论快报》的新研究的领导者，）说道，“（上世纪）80年代末期，测量夸克自旋对质子自旋的贡献率成为可能，而第一次的测量结果显示贡献率为0，这令人大跌眼镜。”事实上，随后的测量表明夸克的贡献率至多是25%，但余下的大部分（75%）却仍然下落不明。

 

胶子是质子内部传递强相互作用力的代表粒子，强相互作用力是将夸克约束在一起的一种基本作用力。每个胶子的自旋为1，将每个胶子的自旋方向考虑在内的自旋总和可能可以解释质子剩下的自旋。但测量胶子的自旋贡献率是一项棘手的工作，RHIC是目前唯一可以应对这一问题的对撞机，因为它是唯一用于对撞“自旋极化”质子的粒子加速器，自旋极化意味着经由它加速的粒子在碰撞时均会在某一特定方向上自旋。（而位于瑞士的更大功率的大型强子对撞机却不能做到这一点。）

 

当两个质子碰撞到一起，它们间的相互作用将由强相互作用力主导，因此胶子也将密切地参与其中。如果胶子自旋是质子自旋的重要部分，那么碰撞时质子的自旋方向应该会影响实验结果。科学家预测，质子自旋方向相反的碰撞与自旋一致的碰撞发生频率会不同。RHIC近期的数据表明确实存在差异。“相同的实验条件得到的结果完全一样。”牛津大学的物理学家胡安?罗桥（Juan Rojo）说道，他是NNPDF（Neural Network Parton Distribution Functions的首字母缩写）协会的成员，在《核物理B》上发表了第二篇论文。“由于这种不对称性不等于零，这提醒我们质子自旋的分配问题并非等闲之辈。”罗桥团队计算发现，胶子对质子自旋的贡献率可能是与夸克平分秋色的。德?弗洛里安和他的同事对相同的RHIC数据进行了分析，但采用不同于罗桥团队使用的数学方法来计算胶子贡献率，他们同样发现胶子自旋与质子自旋显著相关。“这些分析第一次表明胶子的极化并不为零，也就是说胶子是极化的，”德?弗洛里安说，“胶子自旋基本上能够解释质子自旋的其余部分，但不确定性很大。”

 

两支团队都说道，他们的工作仅仅是探索胶子如何影响质子自旋的一个开始，为了得到更精确的结果，则需要一个规模更大的实验。他们说，最佳之选是还在提议阶段的电子-离子对撞机，它可以建在布鲁克海文实验室。相比于RHIC，这台机器将能对撞具有更高能量的极化质子，并能够探测更高能量的胶子对质子自旋的贡献率。

 

如果胶子自旋不能平衡质子自旋的其余部分，那其余的部分有可能是由“游走”在质子内的夸克和胶子的轨道角动量提供。这就像地球在绕太阳公转的同时，也会绕自身的轴自转，夸克和胶子也有它们各自的内部自旋，同时他们绕质子中心的运动又具有一定的角动量。麻省理工学院的物理学家罗伯特?杰夫（Robert Jaffe，他未参与此项研究）说，目前的问题在于这些因素构成了总体质子自旋的多少。他补充说，“测量胶子对质子自旋的贡献率是回答这一问题的重要一步。”

 

化解这场质子自旋危机的重要性不在于理解自旋，而是可以了解质子等其他粒子是如何获得质量的。新近发现的希格斯玻色子被认为可以为其他所有的粒子赋予质量。这是正确的，但不是真相的全部，罗桥说。除了希格斯机制外，还有另一个过程也可以为质子赋予质量。这一过程于“禁闭”有关，“禁闭”用于解释夸克和胶子为何总是一起出现在其他粒子（如质子）内部，而不会单独出现。禁闭动力学也会影响到夸克和胶子的自旋极化。“现代理论物理中最突出的难题之一就是‘禁闭’，”罗桥说，“我们对夸克和胶子的极化分配理解得越充分，对禁闭的理解也会越充分。运用数据，我们会揭晓禁闭的底牌，最终明白质子质量源自何处。（撰文：克拉拉?莫斯科维茨（Clara Moskowitz）  翻译：吴东远  审校：李轩）

 

原文链接：

http://www.scientificamerican.com/article/proton-spin-mystery-gains-a-new-clue1/