在强量子色动力学体系中直接测量质子的广义极化率

量子色动力学是探索由胶子介导的夸克之间的强相互作用的研究领域。夸克是带电荷的基本粒子，是复合粒子(如强子和质子)的组成部分。

量子色动力学体系中强相互作用的某些方面仍然知之甚少，特别是在低能量和低动量传递的相互作用方面。一种对核子广义极化率(即，描述核子对量子色动力学中的外场响应的基本量)进行预测的理论是手性微扰理论。

手性微扰是一种有效的场论，与估计的量子色动力学手性对称性一致。该理论通常用于研究量子色动力学体系中的低能相互作用，特别是在它们潜在的手性对称性方面。

新罕布什尔大学、弗吉尼亚大学、威廉玛丽学院以及美国和中国的其他机构的研究人员最近在实验环境中测试了手性微扰理论的预测。他们的论文发表在NaturePhysics上，提供了在强量子色动力学体系中质子的自旋结构和广义极化率的测量。

“只有少数几个特征可以概括质子的特性——质量、电荷等，”进行这项研究的研究人员之一卡尔·斯利弗告诉Phys.org。“鉴于质子在所有可见物质中作为基础粒子的作用，我们很好地理解这几个属性非常重要。大约十年前，很明显，对其中一个量的理论理解——称为广义自旋极化率——是非常不满意。”

Slifer和他的同事最近工作的主要目标是以可靠的方式测量广义质子的自旋极化率。为此，他们使用了具有强磁场的固体极化氨(NH3)靶材，其方向垂直于入射电子束的方向。

“我们的设计会导致光束在通过场到达目标的途中发生很大的偏转，”Slifer解释说。“因此，需要大量的工程才能将光束传送到目标上，并需要多年的分析才能从目标出现的散射电子中提取反应截面。”

使用他们收集的测量数据，Slifer和他的同事们能够表征单个质子(即在原子核中发现的亚原子粒子)的内部自旋结构。从他们的数据中，他们还提取了质子的纵向-横向自旋极化率、twist-3矩阵元素和极化率d2，这是通过手性微扰理论估计的关键参数。

“有两组主要的理论家正在对这个数量进行计算，”斯利弗说。“这些小组采用的方法略有不同，但原则上这两个预测都直接来自与量子色动力学(QCD)相同的假设和对称性。QCD是强力理论——自然界中仅有的四种已知力之一——并直接测试众所周知，QCD很难获得。”

最终，为了确定理论预测的有效性，这些预测需要在实验环境中进行测试。Slifer及其同事收集的研究结果可用于验证手性微扰理论的预测，这反过来又可以提高我们对强量子色动力学机制的理解，包括质子的自旋结构和广义自旋极化率。

“横向极化的质子数据在历史上是稀缺的，因为这些实验很难运行和分析，”Slifer补充说。“但我们的结果表明，这种数据确实有助于阐明质子的自旋相关特性是如何产生的。我们的理论同事要求我们将这些测量扩展到更高的能量。这是另一个非常困难的实验运行和分析需要数年时间，但应该完成。”