¿Cómo transportan los quarks y gluones el giro de los protones?
La crisis del espín del protón (a veces llamada el "rompecabezas del espín del protón") es una crisis teórica precipitada por un experimento en 1987 [1] que trató de determinar la configuración del espín del protón . El experimento fue realizado por European Muon Collaboration (EMC). [2]
Los físicos esperaban que los quarks llevaran todo el giro de los protones . Sin embargo, el giro total del protón no solo fue llevado por los quarks mucho más pequeño que el 100%, estos resultados fueron consistentes con casi cero (4–24% [3] ) giro del protón llevado por los quarks. Este sorprendente y desconcertante resultado se denominó "crisis del espín del protón". [4] El problema se considera uno de los importantes problemas no resueltos de la física . [5]
Fondo
Una pregunta clave es cómo se distribuye el espín del nucleón entre sus partones constituyentes ( quarks y gluones ). Los componentes del giro del protón son valores esperados de fuentes individuales de momento angular. Estos valores dependen de la escala de renormalización , porque sus operadores no se conservan por separado. [6] Los físicos originalmente esperaban que los quarks llevaran todo el espín del nucleón.
Un protón se construye a partir de tres quarks de valencia (dos quarks arriba y uno abajo ), gluones virtuales y quarks y antiquarks virtuales (o marinos ) (las partículas virtuales no influyen en los números cuánticos del protón). La hipótesis dominante era que, dado que el protón es estable , existe en el nivel de energía más bajo posible. Por lo tanto, se esperaba que la función de onda del quark fuera la onda s esféricamente simétrica sin contribución espacial al momento angular. El protón es, como cada uno de sus quarks, una partícula de espín 1/2. Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que dos de los quarks tienen sus espines paralelos al del protón y el espín del tercer quark es opuesto.
El experimento
En este experimento de EMC, un quark de un protón objetivo polarizado fue alcanzado por un haz de muones polarizado y se midió el giro instantáneo del quark. En un objetivo de protones polarizado, el giro de todos los protones toma la misma dirección y, por lo tanto, se esperaba que el giro de dos de los tres quarks se cancelara y el giro del tercer quark se polarizara en la dirección del giro del protón. Por lo tanto, se esperaba que la suma del giro de los quarks fuera igual al giro del protón.
En cambio, el experimento encontró que el número de quarks con giro en la dirección de giro del protón era casi el mismo que el número de quarks cuyo giro estaba en la dirección opuesta. Esta es la crisis del giro de los protones. Se han obtenido resultados similares en experimentos posteriores. [7]
Trabajo reciente
Un trabajo de 2008 muestra que más de la mitad del giro del protón proviene del giro de sus quarks, y que el giro faltante es producido por el momento angular orbital de los quarks . [8] Este trabajo utiliza efectos relativistas junto con otras propiedades cromodinámicas cuánticas y explica cómo se reducen a un momento angular espacial general que es consistente con los datos experimentales. Un trabajo de 2013 muestra cómo calcular la contribución de helicidad de gluones utilizando QCD de celosía. [9] Un cálculo reciente de Monte Carlo muestra que el 50% del espín del protón proviene de la polarización del gluón. [10] Los resultados de 2016 del RHIC indican que los gluones pueden transportar incluso más espín de protones que los quarks. [11] Sin embargo, cálculos recientes (2018) de QCD de celosía indican que es el momento angular orbital del quark la contribución dominante al espín del nucleón. [12]
Referencias
- ^ Ashman, J .; Badelek, B .; Baum, G .; Beaufays, J .; Bee, CP; Benchouk, C .; et al. (1988). "Una medida de la asimetría de espín y determinación de la función de estructura g1 en la dispersión muón-protón inelástica profunda" . Physics Letters B . Elsevier BV. 206 (2): 364–370. Código Bibliográfico : 1988PhLB..206..364A . doi : 10.1016 / 0370-2693 (88) 91523-7 . ISSN 0370-2693 .
- ^ Ashman, J .; Colaboración EMC (1988). "Una medida de la asimetría de espín y la determinación de la función de estructura g1 en la dispersión muón-protón inelástica profunda" (PDF) . Physics Letters B . 206 (2): 364. Código Bibliográfico : 1988PhLB..206..364A . doi : 10.1016 / 0370-2693 (88) 91523-7 .
- ^ "¿Están los científicos finalmente a punto de comprender de dónde proviene el giro de los protones?" .
- ^ Londergan, JT (2009). "Resonancias de nucleones y estructura de Quark". International Journal of Modern Physics E . 18 (5-6): 1135-1165. arXiv : 0907.3431 . Código Bibliográfico : 2009IJMPE..18.1135L . doi : 10.1142 / S0218301309013415 . S2CID 118475917 .
- ^ Hansson, Johan (julio de 2010). "La" Crisis del giro de protones "- una consulta cuántica" (PDF) . Progreso en Física . Archivado desde el original (PDF) el 4 de mayo de 2012.
- ^ Ji, Xiangdong; Yuan, Feng; Zhao, Yong (2 de septiembre de 2020). "Giro de protones después de 30 años: ¿qué sabemos y qué no?". arXiv : 2009.01291 [ hep-ph ].
- ^ Jaffe, R. (1995). "¿Dónde obtiene realmente su giro el protón?" (PDF) . La física hoy . 48 (9): 24-30. Código bibliográfico : 1995PhT .... 48i..24J . doi : 10.1063 / 1.881473 . Archivado desde el original (PDF) el 16 de abril de 2016 . Consultado el 11 de febrero de 2013 .
- ^ Thomas, A. (2008). "Interacción de giro y momento angular orbital en el protón". Cartas de revisión física . 101 (10): 102003. arXiv : 0803.2775 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.101j2003T . doi : 10.1103 / PhysRevLett.101.102003 . PMID 18851208 . S2CID 18761490 .
- ^ Ji, Xiangdong; Zhang, Jian-Hui; Zhao, Yong (10 de septiembre de 2013). "Física de la contribución de gluón-helicidad al giro de protones". Cartas de revisión física . 111 (11): 112002. arXiv : 1304.6708 . Código Bibliográfico : 2013PhRvL.111k2002J . doi : 10.1103 / PhysRevLett.111.112002 . PMID 24074075 . S2CID 38560063 .
- ^ Bajo, Steven D. (6 de marzo de 2017). "Punto de vista: hilado de gluones en el protón" . Física . 10 . doi : 10.1103 / Física.10.23 .
- ^ Walsh, Karen Mcnulty (16 de febrero de 2016). "Los físicos se acercan a la contribución de los gluones al giro del protón" . Phys.org .
- ^ Deur, A .; Brodsky, SJ; de Teramond, GF (2019). "La estructura de giro del nucleón". Informes sobre avances en física . 82 (076201). arXiv : 1807.05250 . doi : 10.1088 / 1361-6633 / ab0b8f .
enlaces externos
- Carter, Kandice (2 de abril de 2013). "Los giros de los quarks dictan su ubicación en el protón" . Phys.org .