强量子色动力学体系中质子广义极化率的直接测量

诸平

Proton spin structure function g₂ as a function of invariant mass W. Each panel is adjusted to a constant momentum transfer Q² (value in the upper-left corner); this Q² value is presented in units of GeV². The error bars are statistical and are the result of propagating the standard deviation of the raw measured counts through the final analysis. The shaded region represents the systematic uncertainty, which is dominated by the unpolarized model systematic and dilution factor, as discussed in the main text. The black dashed line represents the phenomenological Hall B model^34,35. The grey line indicates zero to more easily distinguish sign changes in the data. Credit: Ruth et al Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01781-y

据物理学家组织网（Phys.org）2022年11月4日报道，强量子色动力学体系中质子广义极化率的直接测量（The direct measurement of a proton's generalized polarizabilities in the strong quantum chromodynamics regime）。

量子色动力学（Quantum chromodynamics）是一个研究夸克（quarks）之间由胶子（gluons）介导的强相互作用的领域。夸克是带电荷的基本粒子，是强子（hadrons）和质子（protons）等复合粒子的基础。

对于量子色动力学中强相互作用（strong interactions）的某些方面，尤其是在低能量和低动量传递下的相互作用，人们仍然知之甚少。一种对核子广义极化率（nucleonic generalized polarizabilities）进行预测的理论（即描述核子对外场反应的量子色动力学基本量）是手征微扰理论（chiral perturbation theory）。

手征微扰是一种有效的场论，它与量子色动力学中估计的手征对称性相对应。这个理论经常被用来研究量子色动力学中的低能量相互作用，特别是它们潜在的手性对称性。

一个由来自美国（USA）、中国（China）、苏格兰（Scotland）、意大利（Italy）、以色列（Israel）、乌克兰（Ukraine）、埃及（Egypt）、韩国（South Korea）、加拿大（Canada）、斯洛文尼亚（Slovenia）、法国（France）以及亚美尼亚（Armenia）研究人员组成的研究团队，他们最近在实验环境中测试了手征微扰理论的预测。他们的研究论文于2022年10月13日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站发表——D. Ruth, R. Zielinski, C. Gu, M. Allada (Cummings), T. Badman, M. Huang, J. Liu, P. Zhu, K. Allada, J. Zhang, A. Camsonne, J.-P. Chen, K. Slifer, K. Aniol, J. Annand, J. Arrington, T. Averett, H. Baghdasaryan, V. Bellini, W. Boeglin, J. Brock, C. Carlin, C. Chen, E. Cisbani, D. Crabb, A. Daniel, D. Day, R. Duve, L. El Fassi, M. Friedman, E. Fuchey, H. Gao, R. Gilman, S. Glamazdin, P. Gueye, M. Hafez, Y. Han, O. Hansen, M. Hashemi Shabestari, O. Hen, D. Higinbotham, T. Horn, S. Iqbal, E. Jensen, H. Kang, C. D. Keith, A. Kelleher, D. Keller, H. Khanal, I. Korover, G. Kumbartzki, W. Li, J. Lichtenstadt, R. Lindgren, E. Long, S. Malace, P. Markowitz, J. Maxwell1,D. M. Meekins, Z. E. Meziani, C. McLean, R. Michaels, M. Mihovilovič, N. Muangma, C. Munoz Camacho, J. Musson, K. Myers, Y. Oh, M. Pannunzio Carmignotto, C. Perdrisat, S. Phillips, E. Piasetzky, J. Pierce, V. Punjabi, Y. Qiang, P. E. Reimer, Y. Roblin, G. Ron, O. Rondon, G. Russo, K. Saenboonruang, B. Sawatzky, A. Shahinyan, R. Shneor, S. Širca, J. Sjoegren, P. Solvignon-Slifer, N. Sparveris, V. Sulkosky, F. Wesselmann, W. Yan, H. Yang, H. Yao, Z. Ye, M. Yurov, Y. Zhang, Y. X. Zhao, X. Zheng. Proton spin structure and generalized polarizabilities in the strong quantum chromodynamics regime. Nature Physics, Published: 13 October 2022. DOI: 10.1038/s41567-022-01781-y. https://doi.org/10.1038/s41567-022-01781-y. 此研究成果提供了在强量子色动力学中质子的自旋结构和广义极化率的测量。

参与此项研究的有来自美国新罕布什尔大学（University of New Hampshire, Durham, NH, USA）、美国弗吉尼亚大学（University of Virginia, Charlottesville, VA, USA）、美国威廉和玛丽学院（The College of William and Mary, Williamsburg, VA, USA）、美国杜克大学（Duke University, Durham, NC, USA）、美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA）、美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, VA, USA）、美国加州州立大学洛杉矶分校（California State University, Los Angeles, Los Angeles, CA, USA）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA）、美国劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA）、美国佛罗里达国际大学（Florida International University, Miami, FL, USA）、美国汉普顿大学（Hampton University, Hampton, VA, USA）、美国罗格斯大学（Rutgers University, New Brunswick, NJ, USA）、美国密西西比州州立大学（Mississippi State University, Mississippi State, Starkville, MS, USA）、美国天普大学（Temple University, Philadelphia, PA, USA）、美国老道明大学（Old Dominion University, Norfolk, VA, USA）、美国天主教大学（Catholic University of America, Washington, DC, USA）、美国克里斯托弗纽波特大学（Christopher Newport University, Newport News, VA, USA）、美国南卡罗莱纳大学哥伦比亚分校（University of South Carolina, Columbia, SC, USA）、美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, TN, USA）、美国诺福克州立大学（Norfolk State University, Norfolk, VA, USA）、美国泽维尔路易斯安那大学（Xavier University of Louisiana, New Orleans, LA, USA）；中国科技大学（University of Science and Technology, Hefei, China）、中国科学院（Chinese Academy of Sciences, Beijing, China）；意大利卡塔尼亚大学（Universita di Catania, Catania, Italy）、意大利罗马国家财政和核工业研究所（Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Sezione di Roma Tor Vergata, Rome, Italy）；以色列希伯莱大学（Hebrew University, Jerusalem, Israel）、以色列特拉维夫大学（Tel Aviv University, Israel）；

苏格兰格拉斯哥大学（Glasgow University, Scotland）、乌克兰哈尔科夫物理与技术学院（Kharkov Institute of Physics and Technology, Kharkov, Ukraine）、埃及开罗大学（Cairo University, Giza, Egypt），韩国首尔国立大学（Seoul National University, South Korea）、加拿大雷吉娜大学（University of Regina, Canada）、法国奥赛核物理研究所（Institut de Physique Nucleaire, Orsay, France）、亚美尼亚埃里温物理研究所（Yerevan Physics Institute, Yerevan, Armenia）以及斯洛文尼亚卢布尔雅那大学（University of Ljubljana, Slovenia）和斯洛文尼亚约瑟夫·斯蒂芬研究所（Jožef Stefan Institute, Ljubljana, Slovenia）的研究人员。

开展这项研究的研究人员之一卡尔·斯利弗（Karl Slifer）告诉物理学家组织网（Phys.org）：“只有少数几个特征可以概括出质子的性质——质量、电荷等等。考虑到质子在所有可见物质中的基础粒子的作用，我们必须充分了解这些特性。大约十年前，人们清楚地发现，对其中一个量——广义自旋极化率的理论理解是非常不令人满意的。”

卡尔·斯利弗和他的同事最近工作的关键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，垂直于入射电子束的方向。

卡尔·斯利弗解释说：“我们的设计导致光束在穿过磁场到达目标的过程中发生了很大的偏转。因此，要将电子束发射到靶上，需要大量的工程技术，还要进行多年的分析，从靶上产生的散射电子中提取出反应截面。”

卡尔·斯利弗和他的同事们利用收集到的测量数据，对单个质子（individual protons）即在原子核中发现的亚原子粒子（subatomic particles）的内部自旋结构进行了表征。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、扭转-3矩阵元素（twist-3 matrix element）和极化率d₂，这些是手征微扰理论估算的关键参数。

卡尔·斯利弗说：“有两个主要的理论家群体正在对这个数量进行计算。这些研究小组采用的方法略有不同，但两者的预测原则上都直接基于量子色动力学（Quantum Chromodynamics简称QCD）相同的假设和对称性。QCD是关于强力的理论，所谓强力即自然界中已知的仅有的四种力之一；而且众所周知，QCD的直接测试很难实现。”

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检验。卡尔·斯利弗和他的同事们收集到的这些发现可以用来验证手征微扰理论的预测，这反过来又可以增进我们对强量子色动力学（strong quantum chromodynamics）的理解，包括质子的自旋结构和广义自旋极化率。

卡尔·斯利弗补充说：“由于这些实验很难进行和分析，因此横向极化质子的数据历来很少。但我们的结果表明，这种数据确实有助于阐明质子的自旋依赖特性是如何产生的。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，需要花费数年时间进行运行和分析，但应该会完成的。”

这项工作得到了美国能源部资助(Department of Energy under grants DE-FG02-88ER40410; DE-FG02-96ER40950; DE-AC02-06CH11357)。

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Abstract

The strong interaction is not well understood at low energies or for interactions with low momentum transfer. Chiral perturbation theory gives testable predictions for the nucleonic generalized polarizabilities, which are fundamental quantities describing the nucleon’s response to an external field. We report a measurement of the proton’s generalized spin polarizabilities extracted with a polarized electron beam and a polarized solid ammonia target in the region where chiral perturbation theory is expected to be valid. The investigated structure function g₂ characterizes the internal spin structure of the proton. From its moments, we extract the longitudinal–transverse spin polarizability δ_LT and twist-3 matrix element and polarizability \(\overline{{d}_{2}}\). Our results provide discriminating power between existing chiral perturbation theory calculations and will help provide a better understanding of this strong quantum chromodynamics regime.