質子自旋之謎的新線索（圖）

:2014-07-25 15:35 來源:環球科學（huanqiukexue.com）

很長一段時間裡，物理學家假定質子自旋源自於組成它的三個夸克。而新的測量數據表明，膠子對質子自旋起到重要作用。
　　

圖片來源：布魯克海文國家實驗室

恆定的自旋是質子的固有屬性，像質量、電荷量一樣。但至今質子自旋的來源仍是個謎，這被稱為「質子自旋危機」。最初，物理學家認為質子自旋是組成它的三個夸克自旋的總和，但1987年的一個實驗卻顯示夸克僅能解釋質子自旋的一小部分，那剩餘的部分如何解釋呢？質子內的夸克是被膠子捆綁在一起，因此科學家認為或許膠子也是是質子自旋的原因。這一想法目前得到了兩項研究的支持，這兩項研究分析了在相對論重離子對撞機（RHIC，位於紐約艾普敦的布魯克海文國家實驗室）中得到的質子對撞結果。

物理學家常常將自旋解釋為粒子的旋轉，但這樣描述的比喻意味更濃一些，實際上自旋是不能由經典物理術語描述的量子特性。正如質子不是一個極小的實體而是一團幽靈般時隱時現的粒子，它的自旋也是一種概率屬性，但總等於1/2。

夸克的自旋同樣為1/2。物理學家最初假定質子中的三個夸克有兩個自旋方向總是相反，相互抵消，餘下一個夸克作為質子的總自旋。「這是25年前的簡單想法，」布宜諾斯艾利斯大學的丹尼爾•德•弗洛里安（他是一篇7月2日發表在《物理評論快報》的新研究的領導者，）說道，「（上世紀）80年代末期，測量夸克自旋對質子自旋的貢獻率成為可能，而第一次的測量結果顯示貢獻率為0，這令人大跌眼鏡。」事實上，隨後的測量表明夸克的貢獻率至多是25%，但餘下的大部分（75%）卻仍然下落不明。

膠子是質子內部傳遞強相互作用力的代表粒子，強相互作用力是將夸克約束在一起的一種基本作用力。每個膠子的自旋為1，將每個膠子的自旋方向考慮在內的自旋總和可能可以解釋質子剩下的自旋。但測量膠子的自旋貢獻率是一項棘手的工作，RHIC是目前唯一可以應對這一問題的對撞機，因為它是唯一用於對撞「自旋極化」質子的粒子加速器，自旋極化意味著經由它加速的粒子在碰撞時均會在某一特定方向上自旋。（而位於瑞士的更大功率的大型強子對撞機卻不能做到這一點。）

當兩個質子碰撞到一起，它們間的相互作用將由強相互作用力主導，因此膠子也將密切地參與其中。如果膠子自旋是質子自旋的重要部分，那麼碰撞時質子的自旋方嚮應該會影響實驗結果。科學家預測，質子自旋方向相反的碰撞與自旋一致的碰撞發生頻率會不同。RHIC近期的數據表明確實存在差異。「相同的實驗條件得到的結果完全一樣。」牛津大學的物理學家胡安•羅橋（Juan Rojo）說道，他是NNPDF（Neural Network Parton Distribution Functions的首字母縮寫）協會的成員，在《核物理B》上發表了第二篇論文。「由於這種不對稱性不等於零，這提醒我們質子自旋的分配問題並非等閑之輩。」羅橋團隊計算髮現，膠子對質子自旋的貢獻率可能是與夸克平分秋色的。德•弗洛里安和他的同事對相同的RHIC數據進行了分析，但採用不同於羅橋團隊使用的數學方法來計算膠子貢獻率，他們同樣發現膠子自旋與質子自旋顯著相關。「這些分析第一次表明膠子的極化並不為零，也就是說膠子是極化的，」德•弗洛里安說，「膠子自旋基本上能夠解釋質子自旋的其餘部分，但不確定性很大。」

兩支團隊都說道，他們的工作僅僅是探索膠子如何影響質子自旋的一個開始，為了得到更精確的結果，則需要一個規模更大的實驗。他們說，最佳之選是還在提議階段的電子-離子對撞機，它可以建在布魯克海文實驗室。相比於RHIC，這台機器將能對撞具有更高能量的極化質子，並能夠探測更高能量的膠子對質子自旋的貢獻率。

如果膠子自旋不能平衡質子自旋的其餘部分，那其餘的部分有可能是由「遊走」在質子內的夸克和膠子的軌道角動量提供。這就像地球在繞太陽公轉的同時，也會繞自身的軸自轉，夸克和膠子也有它們各自的內部自旋，同時他們繞質子中心的運動又具有一定的角動量。麻省理工學院的物理學家羅伯特•傑夫（Robert Jaffe，他未參與此項研究）說，目前的問題在於這些因素構成了總體質子自旋的多少。他補充說，「測量膠子對質子自旋的貢獻率是回答這一問題的重要一步。」

化解這場質子自旋危機的重要性不在於理解自旋，而是可以了解質子等其他粒子是如何獲得質量的。新近發現的希格斯玻色子被認為可以為其他所有的粒子賦予質量。這是正確的，但不是真相的全部，羅橋說。除了希格斯機制外，還有另一個過程也可以為質子賦予質量。這一過程於「禁閉」有關，「禁閉」用於解釋夸克和膠子為何總是一起出現在其他粒子（如質子）內部，而不會單獨出現。禁閉動力學也會影響到夸克和膠子的自旋極化。「現代理論物理中最突出的難題之一就是『禁閉』，」羅橋說，「我們對夸克和膠子的極化分配理解得越充分，對禁閉的理解也會越充分。運用數據，我們會揭曉禁閉的底牌，最終明白質子質量源自何處。（撰文：克拉拉•莫斯科維茨（Clara Moskowitz）  翻譯：吳東遠  審校：李軒）