量子力學中原子核如何產生電場（在強量子色動力學體系中直接測量質子的廣義極化率）

2023-09-19 01:05:08 1

質子自旋結構函數g2作為不變質量W的函數。每個面板都調整為恆定的動量傳遞Q2（左上角的值）;此 Q2 值以 GeV2 為單位表示。誤差線是統計的，是通過最終分析傳播原始測量計數的標準偏差的結果。陰影區域表示系統不確定性，如正文所述，系統不確定性由非極化模型系統和稀釋因子主導。黑色虛線代表現象學大廳B模型34，35。灰線表示零，以便更輕鬆地區分數據中的符號變化。來源：自然物理學（2022 年）。DOI： 10.1038/s41567-022-01781-y

量子色動力學是一個研究領域，探索膠子介導的夸克之間的強相互作用。夸克是帶有電荷的基本粒子，是複合粒子（如強子和質子）的組成部分。

量子色動力學體系中強相互作用的某些方面仍然知之甚少，特別是在低能量和低動量轉移的相互作用方面。一種預測核子廣義極化率（即描述核子對量子色動力學中外部場響應的基本量）的理論是手性擾動理論。

手性擾動是一種有效的場論，與量子色動力學的估計手性對稱性相一致。該理論通常用於研究量子色動力學體系中的低能相互作用，特別是在其潛在的手性對稱性方面。

新罕布夏大學、維吉尼亞大學、威廉瑪麗學院以及美國和中國其他研究所的研究人員最近在實驗環境中測試了手性擾動理論的預測。他們的論文發表在《自然物理學》上，提供了對強量子色動力學體系中質子的自旋結構和廣義極化率的測量。

「只有少數特徵可以總結質子的性質 - 質量，電荷等，」進行這項研究的研究人員之一Karl Slifer告訴 Phys.org。「鑑於質子在所有可見物質中作為基礎粒子的作用，我們很好地理解這些特性非常重要。大約十年前，很明顯，對其中一個量（稱為廣義自旋極化率）的理論理解非常不令人滿意。

Slifer和他的同事最近工作的主要目標是以可靠的方式測量廣義質子的自旋極化率。為此，他們使用了固體極化氨（NH3） 具有強磁場的目標，垂直於入射電子束的方向。

「我們的設計導致光束在到達目標的途中穿過磁場時發生較大的偏轉，」Slifer解釋說。「因此，需要大量的工程才能將光束傳遞到目標上，並且需要多年的分析才能從目標出現的散射電子中提取反應截面。

利用他們收集的測量結果，Slifer和他的同事能夠表徵單個質子（即原子核中發現的亞原子粒子）的內部自旋結構。從他們的數據中，他們還提取了質子的縱橫自旋極化率，扭曲-3矩陣元素和極化率d2，由手性擾動理論估計的關鍵參數。

「有兩組主要的理論家正在對這個數量進行計算，」Slifer說。「這些小組採用的方法略有不同，但原則上兩種預測都直接來自與量子色動力學（QCD）相同的假設和對稱性。QCD是強力理論 - 自然界中僅有的四種已知力之一 - 並且QCD的直接測試是出了名的難以獲得。

最終，為了確定理論預測的有效性，這些預測需要在實驗環境中進行測試。Slifer及其同事收集的研究結果可用於驗證手性擾動理論的預測，這反過來可以提高我們對強量子色動力學體系的理解，包括質子的自旋結構和廣義自旋極化率。

「橫向極化質子數據在歷史上是稀缺的，因為這些實驗很難運行和分析，」Slifer補充道。「但是我們的結果表明，這種數據確實有助於闡明質子的自旋依賴性是如何產生的。我們的理論同事要求我們將這些測量擴展到更高的能量。這是另一個非常困難的實驗，需要數年的時間來運行和分析，但它應該完成。

更多信息：D. Ruth等，強量子色動力學體系中的質子自旋結構和廣義極化率，Nature Physics（2022）。DOI： 10.1038/s41567-022-01781-y

期刊信息：自然物理學