质子自旋危机
质子自旋危机（英语：Proton spin crisis），有时称作“质子自旋之谜”，是1987年的一次实验促成的理论危机，该实验试著测定质子自旋的组成结构，由欧洲μ子共同研究（EMC）实施[1]。
物理学家预计夸克会完全负担质子的自旋。然而，夸克所承担的质子自旋不只是远远低于100%而已，实验结果一致显示夸克几乎没有负担质子的任何自旋。这令人惊讶与费解的结果被称为“质子自旋危机”[2]。
背景
[编辑]关键问题是核子自旋是如何分散在其组成部分子（夸克与胶子）上的。物理学家原本预计夸克会完全负担核子的自旋。
根据量子色动力学，质子是由两个“上夸克”、一个“下夸克”、胶子与或可能存在的成对的夸克和反夸克所组成[3]。这项基本假设是由于质子是稳定态，维持于尽可能低的能阶。因此，夸克的波函数预计要与 S波成球面对称，在空间上不会作用到角动量。质子与它的每一个夸克一样，是一个自旋1/2的粒子。因此，假设其中两个夸克具有相反的自旋，则第三夸克的自旋就与质子自旋相互平行。
实验
[编辑]在该次EMC的实验中，一个极化质子目标的夸克被极化μ子射线所击中，以测量夸克的瞬间自旋。在极化质子目标上，质子的所有自旋都采取相同的方向，因此预计三个夸克的其中二者的自旋互相抵消，而第三夸克的自旋受质子自旋之方向极化。从而，夸克自旋之总和预计与质子自旋相等。
然而，在EMC的实验中却发现，以质子自旋方向自旋的夸克数量，与以质子自旋反向自旋的夸克数量几乎相同。这就是质子自旋危机，往后的实验也得到类似的结果[4]。
近期研究
[编辑]一项2008年的研究显示过半的质子自旋都是出于其夸克的运动，而其他自旋则是由夸克的空间角动量所产生[5]。此研究使用相对论效应再加上其他量子色动力学的性质来解释如何归结出整体空间角动量，而此量与实验数据一致。2014年相对论重离子对撞机（RHIC）已经开始测量胶子的贡献，并努力提高精准度。
近期实验结果揭示了关于夸克与胶子这些物质组成的基石，对于质子自旋之贡献的新见解[6]。
参见
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参考资料
[编辑]- ^ Ashman, J.; EMC Collaboration. A measurement of the spin asymmetry and determination of the structure function g1 in deep inelastic muon-proton scattering. 物理快报. 1988, 206 (2): 364. Bibcode:1988PhLB..206..364A. doi:10.1016/0370-2693(88)91523-7.
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Londergan, J. T. Nucleon Resonances and Quark Structure. 现代物理学国际期刊. 2009, 18 (5–6): 1135. Bibcode:2009IJMPE..18.1135L. arXiv:0907.3431
. doi:10.1142/S0218301309013415.
- ^ Halzen, F.; Martin, A. D. Quarks and Leptons: An Introductory Course in Modern Particle Physics. 约翰威立. 1984. ISBN 978-0-471-88741-6.
- ^ Jaffe, R. Where does the proton really get its spin? (PDF). 今日物理. 1995, 48 (9): 24–30 [2015-08-22]. Bibcode:1995PhT....48i..24J. doi:10.1063/1.881473. （原始内容 (PDF)存档于2016-04-16）.
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Thomas, A. Interplay of Spin and Orbital Angular Momentum in the Proton. 物理评论快报. 2008, 101 (10): 102003. Bibcode:2008PhRvL.101j2003T. arXiv:0803.2775 . doi:10.1103/PhysRevLett.101.102003.
- ^ "Physicists narrow search for solution to proton spin puzzle" （页面存档备份，存于互联网档案馆）, 布鲁克黑文国家实验室, November 4, 2014.
