來(lái)自相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)恒星實(shí)驗(yàn)的新數(shù)據(jù)，為科學(xué)家們一直在尋求解決一個(gè)有趣謎題增添了細(xì)節(jié)和復(fù)雜性：構(gòu)成質(zhì)子組成部分是如何促進(jìn)其自旋的？

在剛剛（2019年3月15日）發(fā)表在《物理評(píng)論D》(Physical Review D)期刊上的一篇研究論文中：首次明確揭示了不同反夸克對(duì)質(zhì)子整體自旋的影響不同，而且在某種程度上與這些不同類(lèi)型夸克相對(duì)豐富程度相反（名詞用術(shù)語(yǔ)：夸克的種類(lèi)被稱(chēng)為“味”，分別是上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）及頂夸克（t）同時(shí)也有對(duì)應(yīng)的反夸克）。

博科園-科學(xué)科普：阿比林基督教大學(xué)(Abilene Christian University) STAR的副發(fā)言人詹姆斯·德拉亨伯格(James Drachenberg)說(shuō)：這項(xiàng)測(cè)量表明，質(zhì)子自旋之謎中的夸克是由幾塊組成，這不是一個(gè)無(wú)聊的謎題；它不是均勻分布。這是一幅更復(fù)雜的畫(huà)面，這個(gè)結(jié)果讓我們第一次看到了這幅畫(huà)面?？茖W(xué)家們對(duì)質(zhì)子自旋的看法已經(jīng)不是第一次改變了。上世紀(jì)80年代，當(dāng)歐洲核子研究中心(CERN)的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)揭示了夸克和反夸克在質(zhì)子中的自旋之和最多只占總自旋四分之一時(shí)，一場(chǎng)全面的自旋“危機(jī)”爆發(fā)了。

相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室設(shè)在布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的核物理研究用戶(hù)設(shè)施。相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)的建立部分是為了讓科學(xué)家能夠測(cè)量其他組分的貢獻(xiàn)，包括反夸克和膠子(它們將夸克和反夸克“粘合”在一起，或結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子等粒子)。反夸克只有短暫的存在，當(dāng)膠子分裂時(shí)，它們形成夸克對(duì)反夸克對(duì)。德拉森伯格說(shuō)：我們稱(chēng)這些對(duì)粒子為夸克海，在任何時(shí)刻，都有夸克、膠子和大量夸克及反夸克對(duì)，它們?cè)谀撤N程度上有助于描述質(zhì)子。理解這些?？淇嗽谀承┓矫娴淖饔茫皇窃谧孕矫?。

探索夸克海洋的“味道”

一個(gè)關(guān)鍵的考慮是，不同“味”的夸克是否對(duì)自旋有不同的貢獻(xiàn)？文前“博科園”已表述夸克有六種不同“味”——分別是上夸克（u）反上夸克、下夸克（d）反下夸克、奇夸克（s）反奇夸克、粲夸克（c）反粲夸克、底夸克（b）反底夸克及頂夸克（t）反頂夸克）美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBNL)的明星合作者恩斯特·?？颂芈?Ernst Sichtermann)在“夸克海洋”研究中發(fā)揮了領(lǐng)導(dǎo)作用。我們希望(上下配對(duì)的)數(shù)量相等，但我們看到的情況并非如此。

歐洲核子研究中心(CERN)和美國(guó)能源部費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(DOE’s Fermi National Accelerator Laboratory)的測(cè)量結(jié)果一直顯示：下反夸克比上反夸克要多。德拉森伯格說(shuō)：由于這兩種味的豐富程度存在著一種不對(duì)稱(chēng)，所以我們認(rèn)為它們?cè)谧孕械淖饔每赡芤擦钊烁械襟@訝。事實(shí)上，RHIC的早期結(jié)果表明，這兩種口味對(duì)自旋的影響可能存在差異，這鼓勵(lì)了STAR團(tuán)隊(duì)做更多的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)現(xiàn)自旋

這一結(jié)果代表了20年相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)旋轉(zhuǎn)計(jì)劃的數(shù)據(jù)積累。這是在RHIC之初啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)計(jì)劃兩個(gè)最初支柱之一的最終結(jié)果。在所有這些實(shí)驗(yàn)中，STAR分析了RHIC中極化質(zhì)子碰撞的結(jié)果——相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)的兩束質(zhì)子整體自旋方向以特定方式排列。尋找當(dāng)一個(gè)極化質(zhì)子束的自旋方向被翻轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生特定粒子數(shù)量上的差異，可以用來(lái)跟蹤各種組分的自旋排列——因此它們對(duì)整個(gè)質(zhì)子自旋的貢獻(xiàn)。對(duì)于夸克海的測(cè)量，恒星物理學(xué)家計(jì)算了電子和正電子——電子的反物質(zhì)版本，它們?cè)谌魏畏矫娑际且粯拥模皇菐У氖钦姾啥皇秦?fù)電荷。

電子和正電子來(lái)自于被稱(chēng)為W玻色子的粒子的衰變，W玻色子也有正負(fù)兩種，這取決于它們是否含有上反夸克或下反夸克。當(dāng)對(duì)撞質(zhì)子的自旋方向翻轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的電子數(shù)差異表明W-產(chǎn)生的差異，并作為測(cè)量上反夸克自旋排列的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。同樣，正電子差異來(lái)自于W+產(chǎn)量的差異，并充當(dāng)了測(cè)量下反夸克自旋貢獻(xiàn)的替代角色。

新探測(cè)器，提高了精度

最新數(shù)據(jù)包括恒星端蓋熱量計(jì)捕捉到的信號(hào)，它能從每次碰撞中捕捉到沿光束前后移動(dòng)的粒子。隨著這些新數(shù)據(jù)與垂直于碰撞帶出現(xiàn)的粒子數(shù)據(jù)相結(jié)合，科學(xué)家們縮小了結(jié)果中的不確定性。這些數(shù)據(jù)首次明確表明：上反夸克自旋對(duì)整個(gè)質(zhì)子自旋的貢獻(xiàn)要大于下反夸克自旋。中國(guó)山東大學(xué)徐慶華(音譯)說(shuō)：這種科學(xué)家們所稱(chēng)為‘味（夸克）不對(duì)稱(chēng)’本身就令人驚訝，但考慮到下反夸克的數(shù)量比上反夸克數(shù)量還要多，這就更令人驚訝了。正如?？颂芈赋龅模喝绻慊氐阶畛醯馁|(zhì)子自旋之謎，在那里我們知道夸克和反夸克自旋之和只占質(zhì)子自旋的一小部分

接下來(lái)的問(wèn)題是，膠子的貢獻(xiàn)是什么？夸克和膠子軌道運(yùn)動(dòng)的貢獻(xiàn)是什么？但是，為什么夸克的貢獻(xiàn)這么小呢？是因?yàn)榭淇撕头纯淇说淖孕暙I(xiàn)抵消了嗎？還是因?yàn)椴煌淇硕煌恳郧暗南鄬?duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)結(jié)果表明，膠子在質(zhì)子自旋中起著重要作用。這項(xiàng)新的分析清楚地表明，夸克海也發(fā)揮著重要作用。這比把膠子分裂成任何你喜歡的味都要復(fù)雜得多——這是一個(gè)很好的理由讓我們深入夸克海洋。坦普爾大學(xué)(Temple University)物理學(xué)家貝恩德·瑟羅(Bernd Surrow)對(duì)此表示贊同。他幫助開(kāi)發(fā)了W玻色子方法，并指導(dǎo)了兩名研究生，他們的分析結(jié)果促成了這篇新論文的發(fā)表。

在相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)進(jìn)行了多年的實(shí)驗(yàn)工作之后，這一令人興奮的新結(jié)果大大加深了對(duì)質(zhì)子內(nèi)部夸克和膠子量子漲落的理解。這些都是吸引年輕人的基本問(wèn)題——學(xué)生們將繼續(xù)擴(kuò)展我們的知識(shí)范圍。額外的恒星測(cè)量可能會(huì)讓我們了解奇異夸克/反夸克對(duì)自旋的貢獻(xiàn)。此外，美國(guó)科學(xué)家希望在未來(lái)計(jì)劃建造電子-離子對(duì)撞機(jī)上對(duì)自旋之謎進(jìn)行更深入的研究。這個(gè)粒子加速器將利用電子直接探測(cè)質(zhì)子內(nèi)部組成的自旋結(jié)構(gòu)，并最終解決質(zhì)子自旋之謎。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自:?布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論D》

DOI: 10.1103/PhysRevD.99.051102

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