为什么质子自旋？物理学有一个惊人的答案

撰稿人Ethan Siegel

Apr 19, 2017 @ 10:00 AM

   从一声爆炸开始

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    作者是福布斯的撰稿人。表达的意见是作家的那些。

一个质子的三价夸克贡献到它的自转, 但胶子、海洋夸克和反夸克以及轨道角动量也如此这样做。APS/Alan Stonebraker

    你能取宇宙中的任何粒子并将它与其它一切隔绝开来, 但是有些属性永远不能被带走。这些是粒子本身固有的物理属性------像质量、电荷或角动量一样的属性------对于任何一个粒子都是相同的。一些粒子是基本的, 像电子和它们的质量，电荷和角动量也是基本的。但其它的粒子是复合粒子, 如质子。虽然质子的电荷(+ 1)是由于构成它的三个夸克的总和(两个上夸克的+ 2/3和一个下夸克的-1/3), 它的角动量的故事要远复杂得多。即使它是一个自旋 = 1/2的粒子, 就像电子一样, 简单的把构成它的三个夸克的自旋添加在一起是不够的。

质子中的三价夸克, 两个上和一个下, 起初被认为构成它的自旋1/2。但这个简单的想法并不符合实验。Arpad Horvath

    有两个东西贡献到角动量: 自旋, 这是任何基本粒子固有的角动量,轨道角动量,是你从两个或更多的构成一个复合粒子的基本粒子获得的。(不要被愚弄: 实际上没有粒子在物理上自旋的, 但"自旋"是我们给这个固有角动量属性的名称)。一个质子有两个上夸克和一个下夸克, 它们由胶子把持在一起: 胶子是把三个夸克相互束缚在一起的无质量的带色电荷粒子。每个夸克有一个1/2的自旋, 因此你可能会简单的认为只要一个自旋与另两个的方向相反, 你就会得到质子的自旋。直到1980年代, 这正是标准推理怎样进行的。

随它参与的场模型的质子的结构表明三价夸克本身不能解释质子的自旋, 相反、只占一小部分的它。Brookhaven National Laboratory

    有两个上夸克------两个相同的粒子------在基态中, 你会期望泡利不相容原理能防止这两个相同的粒子占据同一状态的, 因此一个必须是 + 1/2而另一个则是-1/2。因此, 你将推理第三个夸克 (下夸克)会给你一个总的1/2自旋。但然后这个实验来了, 而且有一个相当惊奇的在参与的: 当你把高能粒子粉碎成质子时, 三个内部夸克(上、上和下) 对质子的自旋仅贡献了约30%。

一个质子的内部结构,显示有夸克、胶子和夸克的自旋。Brookhaven National Laboratory

    这三个成分可能不会这么简单的加起来有三个好理由。

    1 夸克不是自由的, 但被绑定在一个小的质子结构内。限制一个对象能改变它的自旋, 所有三个夸克都被非常约束的。

    2 里面也有胶子,胶子的自旋能有效的"挡住"夸克在这个质子的跨度上自旋, 减少它的影响。

    3 最后, 有去局域化夸克的量子效应，防止它们恰好在一个像粒子并需要一个更波样的分析的地方。这些效应也能减少或改变质子的整体自旋。

    换句话说, 丢失70%是真实的。

随着更好的实验和理论计算的到来, 我们对质子的理解已经变得更加复杂了, 有胶子、海洋夸克并且轨道相互作用来开始起作用。Brookhaven National Laboratory

    也许, 你会认为, 那些刚好是这三价夸克和来自量子力学胶子场的可能自发的创造夸克/反夸克对。这部分是真实的, 并且对质子的质量做出重要贡献。但就质子的角动量而言, 这些 "海洋夸克" 是微不足道的。

都有自旋 = 1/2的费米子 (夸克和胶子)、反费米子(反夸克和反轻子)以及标准模型的玻色子(整数自旋)全都显示在一起。E. Siegel

    那么,也许胶子将是一个重要的贡献者？毕竟, 基本粒子的标准模型充满了费米子(夸克和轻子), 它们都是自旋 = 1/2, 并且玻色子像光子一样, w和z和胶子所有这些都是自旋 = 1。(也有自旋 = 0的希格斯, 如果量子引力是真的, 引力子自旋 = 2)。考虑到质子内的所有胶子, 也许它们也很重要？

通过把粒子在一个复杂的探测器里面高能量碰撞在一起, 像在RHIC的布鲁克哈文的凤凰探测器已经带领了测量胶子的自旋贡献的方式。Brookhaven National Laboratory

    有两种方法来测试那个: 实验上的和理论上的。从实验的角度来看, 你能在质子深处碰撞粒子内部并测量胶子怎样反应的。对质子的整体动量贡献最大的胶子被看到对质子的角动量的实在的贡献是: 约40%, 有±10% 的不确定性。用更好的实验设置 (这将需要一个新的电子/离子对撞机), 我们可以探究到更低动量胶子, 取得更大的精确度。

当两个质子碰撞时, 它不仅仅是构成它们的夸克能够碰撞而且海洋夸克、胶子以及在那之外的场相互作用。所有的都能提供洞察各个成分的自旋。CERN / CMS Collaboration

    但理论上的计算也很重要!一种被称为晶格QCD的计算技术在过去的几十年间一直在稳步提高，随着超级计算机的威力指数般的增加。晶格QCD现在已经达到了它能预测胶子贡献到质子的自旋是50%的点上， 再一次有几个百分点的不确定性。最值得注意的是计算表明------用这个贡献------夸克自旋的胶子挡住是无效的，夸克一定被来自一个不同的影响挡住的。

由于计算能力和晶格QCD技术随着时间的推移而有所改善, 因此, 对关于质子的各种量的精确度一样有所改善, 例如它的成分的自旋贡献能被计算的。Laboratoire de Physique de Clermont / ETM Collaboration

       剩下的20%一定来自轨道角动量, 其中胶子甚至虚拟的π介子环绕三个夸克, 因此这个"海夸克"有一个实验上和理论上的微不足道的贡献。

一个更充分的是由自旋的价夸克、海夸克和反夸克、自旋的胶子构成的质子, 所有这些都彼此环绕着。这就是它们的自旋来自的地方。Zhong-Bo Kang, 2012, RIKEN, Japan

    理论和实验都一致的是惊人的和迷人的, 但最不可思议的是质子的自旋的最简单的解释的事实-----三个夸克简单加起来的------给你这个错误的推理的正确答案! 质子的自旋有70%来自胶子和轨道的相互作用, 并且用实验和晶格 QCD计算手把手的改善, 我们最终的接近确切的为什么质子用它有的确切值"自旋"的。

天体物理学家和作者爱善·西格尔是从一声爆炸开始！的创始人和主要作家。查阅他的第一本书，超越银河，并寻找他的第二本迁徙术（Treknology）今年 10 月！https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/04/19/why-does-the-proton-spin-physics-holds-a-surprising-answer/#d0cd3a82c3a5