质子自旋之谜

粒子物理学 Particle Physics

 什么是质子？ 

在宇宙的历史长河中，质子绝对是一个大VIPs（Very Important Particles）。它们在宇宙大爆炸后的百万分之一秒后产生，在更早的时候，宇宙太过炽热无法使这个带正电荷的粒子成型。然而，质子正式走入我们的视线也只发生在100多年前。当时，卢瑟福轰击氮原子，才”剥开“原子核释放出质子。

△ 一个原子包含了质子（proton）、中子（Neutron）和电子云（Electron cloud）。（图片来源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

一个质子，加上一个电子，就形成了宇宙中含量最丰富的氢原子。

质子在我们的身体之中，在太阳的核心之中，在宇宙射线之中。它无处不在。但是，我们还不了解它。

△ 左边：常见的氢原子，由电子和质子构成；右边：μ氢，电子被μ子替换。

 谜题一：自旋危机 

现状：科学家无法解释质子自旋的来源。

为什么重要？对自旋的理解能够帮助我们对质子如何运作有更基本的理解。

即使半径之谜解决了，科学家还面临着另一个问题。当我们对质子进行“解剖”的时候，会发现它的内部非常复杂，它包含了三个夸克：一个负电荷的“下”夸克和两个正电荷的“上”夸克。

△ 质子和中子的内部都是由上下夸克组成的。（图片来源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

三个夸克的图景仍然太过简单了。伴随着它们的是一群混乱的瞬时粒子。有许多额外的夸克和反夸克，会不停的出现、湮灭。除此外，还有将质子“粘合“在一起的胶子。胶子是强核力（四种基本力之一）的信使，是它们使夸克相互吸引。

△ 事实上，质子和中子的内部要复杂的多。在三个永存的夸克身边，会有许多夸克-反夸克不断地产生以及湮灭。黄色代表着胶子，正是它们通过强核力将夸克束缚住。夸克还有一个性质跟强核力有关，被称作“色荷”——图中显示为红、绿和蓝色。（图片来源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

正是由于这种混乱的局面，质子的性质才很难理解。其中的一个性质被称为自旋，科学家已经小心翼翼的探索了许多年，但还没有完全搞懂。量子粒子总是快速的旋转，就像地球绕着自己的轴转动。这种自旋会产生角动量——描述旋转物体的一个量。自旋也使质子表现的像小磁铁，因为旋转的电荷会产生磁场。这种性质是医学成像的关键，即所谓的核磁共振成像。

但是，在量子世界中，奇怪的是：并没有真正的自旋在发生。因为基本粒子（比如夸克）并没有一个有限的物理大小，就目前所知，它们并不能旋转。尽管没有自旋，但粒子依旧表现出自旋的行为，而且它只能有特定的值：1/2的整数倍。

夸克的自旋为1/2，胶子的自旋为1。这些自旋结合起来产生质子的总自旋。此外，正如地球同时绕着自己的轴自转及绕着太阳公转，夸克和胶子或许也绕着质子的中心转，产生了额外的角动量，需要被考虑进总自旋。

不知怎地，在质子内的夸克和胶子的自旋和轨道运动结合会产生1/2的自旋。起初，物理学家认为这个解释应该很简单。他们认为质子的自旋是由三个夸克（每个夸克的自旋为1/2）决定的。如果其中两个夸克的自旋方向相反，那么它们就会相互抵消产生共1/2的自旋。但是1980年代的实验让物理学家意识到事情远远没有那么简单。令人意外的是，质子的自旋只有一小部分是来自夸克的。

△ 科学家认为一个质子的自旋主要是由三个夸克（左边，箭头表示了自旋的方向）贡献。但其实，胶子和短暂存在的夸克和反夸克通过它们的自旋和运动（灰色箭头）也有贡献。（图片来源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）

如果不是来自夸克又会是什么？科学家预感质子的自旋有可能是来自胶子。但是，要验证这个猜想却是极度困难的。为了找出答案，科学家利用相对论重离子对撞机（RHIC）进行实验。

在实验中，科学家将已经偏振的质子进行对撞：两个质子的自旋要么被对齐要么指向不同的方向。实验结果显示，胶子对质子自旋的贡献为35%。由于夸克只贡献了25%，那么还有40%来自哪里？我们并不知道，只能把希望寄予未来的实验上。

接下来，科学家正计划着不同的实验来检验质子半径的差异是否依旧存在，比如进行μ子散射实验，看结果是否会和电子散射实验一样。这些实验室非常有必要的，因为这是对量子电动力学(QED)的检验。QED是描述微观尺度电磁现象的物理理论。利用该理论，科学家可以计算量子系统的性质，比如氢原子，但是这些计算需要质子的半径的精确值。因此对质子半径的测量是对该理论的严峻考验。

在这个问题困扰了物理学家30年后的今天，科学家使用了CSCS的超级计算机Piz Daint第一次对胶子、价夸克和海夸克对质子的自旋的贡献做出定量计算（结果如下图所示），为物理学家最终解决长久以来的困惑带来了新的希望。该结果发表于10月6日的《物理评论快报》[2]。

○ 价夸克（蓝色和紫色条纹柱状部分）、海夸克（蓝色、紫色和红色实心柱状部分）和胶子（绿色实心柱状）对质子自旋的各自贡献。 | 图片来源： Constantia Alexandrou et al.

△ 在布鲁克黑文国家实验室中的PHENIX实验中，科学家利用巨大的探测器来研究自旋。（图片来源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）

 无法驾驭的基本力 

当实验物理学家想要揭开关于质子自旋和其它的困惑时，他们无法从理论物理学家那里得到很多的帮助。量子色动力学（QCD）——是一个描述夸克胶子之间强相互作用的理论——像是一个无法驾驭的野兽。它太过复杂，科学家还无法直接求解理论的方程。但如果无法从理论上做出正确的计算，科学家就无法预测质子的半径该是多少，它的自旋来源又是什么。

为了简化质子的数学，物理学家利用一个技巧叫做晶格量子色动力学（Lattice QCD），该理论把世界想象成由时空中的格点构成的。一个夸克可以处于格子中的这一点或那一点，但不是在两点之间的空间。同样地，时间也是在跳跃中进行的。在这个情况下，QCD变得更加可控，虽然计算仍然需要用到强大的超级电脑。

利用晶格QCD来计算质子的自旋的确有进展，但充满了不确定性。2015年，物理学家Keh-Fei和同事进行了计算得出，一半质子的自旋来源于夸克的运动，四分之一来自夸克的自旋，以及剩下的四分之一来自胶子。但是这些数字跟实验测量并不完全符合，而这也是可以理解的。因为他们的计算依赖于许多近似。

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