一种使用格点量子色动力学 (Lattice QCD) 框架、不依赖先验假设而重新审视观测数据的新方法，为胶子自旋 ∆g 为正提供了有力证据。

几十年来，研究人员一直在努力揭开亚原子世界复杂结构的面纱。其中一个特别具有挑战性的问题便是质子内禀角动量（通常被称为自旋）的起源。

核物理学家普遍认为，质子的自旋源自其内部组成部分：夸克。夸克通过传递强核力的胶子结合在一起。然而，夸克和胶子对质子整体自旋的确切贡献仍不清楚。

如今，一个国际物理学家团队取得了重大进展。他们借鉴实验观察和利用格点量子色动力学 (QCD) 进行的高级模拟，整理出了有力证据，阐明了胶子在质子自旋产生过程中所起的作用。

最近，杰斐逊实验室角动量（JAM）合作项目成员在《物理评论快报》上发表了一篇新论文，介绍了这项调查的结果。该合作项目包括理论家、实验学家和计算机科学家，他们通过量子色动力学（QCD）研究亚原子粒子的内部结构。量子色动力学是一种描述夸克和胶子如何通过强相互作用的理论。

本文作者是JAM合作组织的自旋PDF分析小组成员，包括美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的沃利·梅尔尼丘克和野本聪；澳大利亚阿德莱德大学物质亚原子结构研究中心（CSSM）和澳大利亚研究理事会暗物质粒子物理卓越中心的尼古拉斯·亨特-史密斯、安东尼·托马斯和马丁·怀特；以及威廉与玛丽学院物理系的克里斯托弗·科库扎。

托马斯指出，杰斐逊实验室与阿德莱德大学的富有成效的合作已持续数十年，尽管两地时差达14.5小时，但物理学家们一直在携手合作。

“很多年前，当内森·伊斯古尔 (Nathan Isgur) 担任首席科学家时，沃利 (Wally) 同时在阿德莱德和杰斐逊实验室任职，”托马斯说道。“2004 年至 2009 年，我曾在杰斐逊实验室担任了六年的首席科学家。我们的物理合作一直在持续进行。”

该小组的最新工作解决了一个棘手的问题，而理解质子自旋的起源必须先解决这个问题：Δg的符号是什么？换句话说，胶子的自旋是负还是正？

质子的内禀自旋

当物理学家讨论质子（或任何粒子）的“自旋”时，他们指的是其固有的角动量。由于物理学家对亚原子自旋的概念是一种量子力学观念，因此来自我们可见世界的解释只能到这一步；即使质子处于静止状态，它也具有这种角动量。自旋可以是负的或正的——想象一下顺时针和逆时针。

“自旋是量子世界的一个独特性质，”佐藤解释道，“质子的自旋为½。不是0.51，不是0.501，也不是0.50001，而是0.5。这个数字是由质子内部的组成部分决定的，而这些组成部分每一个都有自己的自旋。”

梅尔尼丘克说，早在20世纪20年代，人们就已经知道质子自旋的数值。他补充道，质子自旋来自于构成质子的各个组成部分自旋的总和，这是合乎情理的。

他说：“我们不知道的是：质子中三个价夸克携带了质子自旋的多少部分？胶子携带了多少部分？”“多少部分可能归因于质子中夸克和胶子的旋转（轨道角动量）？”

确定∆g的符号对于弄清楚质子如何获得自旋至关重要，但多年的观测工作和理论都没有给出确凿的答案。

大多数物理学家认为正∆g似乎更有可能，但亨特-史密斯说：“这些负∆g解一直存在。”“仅从纯物理学的角度来看，我们没有理由不能有一个负∆g。”

一项基于全球首创数据的新分析

JAM 项目的合作者们从先前的分析工作以及许多实验（包括杰斐逊实验室连续电子束加速器设施 (CEBAF) 的项目和能源部布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机 (RHIC) 的项目）中获得的较旧和最新的观测数据中得出了他们的发现。这两个粒子加速器均为能源部科学办公室的用户设施，世界各地的核物理学家均会利用它们开展研究。

“我们的分析与其他团队的不同之处在于，我们真的尽可能多地摒弃了关于事物如何表现的理论假设，”梅尔尼丘克（Melnitchouk）说道。

其中一个假设是，非极化的部分子分布必须有一个概率解释。梅尔尼丘克承认，这一关于部分子（质子内部胶子、夸克和其他组成粒子的总称）的假设“过于拘泥于技术细节”。

“但世界各地的其他团队在之前的分析中都认为这是理所当然的，”他补充道，“我们现在认为这并非真正基础的东西。”

梅尔尼丘克（Melnitchouk）说，最初，来自RHIC的观测数据达成了一项全球共识，即导向一个正的Δg方向。

“但进一步的分析让事情变得不那么清楚了，”他指出，“因为参数空间有一个角落既允许正胶子自旋，也允许负胶子自旋。”

他表示，JAM 的合作者几年前发表了一篇论文，指出负 Δg 仍然是一种可行的可能性。这篇论文颇具争议，因为它与当时全球核物理界的普遍看法相悖，而当时普遍认为正胶子自旋更具可能性。

与此同时，HadStruc合作项目正以另一种方式解决同样的问题。他们正在使用超级计算机和格点量子色动力学（QCD）公式来计算基本的QCD理论，该理论描述了质子中夸克和胶子之间的相互作用。

亨特·史密斯（Hunt-Smith）解释说：“你基本上是把时空离散了。你把时空切成一系列片段，这样就可以计算出很多物理特性。”

随后，在理论中心 Nathan Isgur 研究员 Joe Karpie 的带领下，JAM 和 HadStruc 进行了联合协作分析，将新的格点 QCD 结果与实验数据相结合，并指出虽然这缩小了范围，但仍然不排除负 Δg 的存在。

亨特-史密斯说：“我们稍微倾向于这个积极的解决方案，但在统计上仍不具有显著性。这就是我们的新研究发挥作用的地方。”

高能粒子为分析增添了新的数据

他接着解释了合作者是如何将来自深度非弹性散射实验的数据纳入其中的，包括使用杰斐逊实验室CEBAF设施的那些实验。

“你获取一个电子，把它射向质子，目的是探测质子内部的物质——即质子内部的各种夸克和胶子——用这种方法，你可以更多地了解质子的结构，”他说。

亨特·史密斯（Hunt-Smith）说，JAM小组特别关注深度非弹性散射实验的高x数据，这些数据是实验结果中特别重要的部分。这些数据指的是在电子与质子成分碰撞后，检测到的动量特别高（或能量非常高）的粒子。他指出，高x数据的纳入需要进行一些额外的理论考虑。

“因此，我们加入了该理论，”他说。“我们在分析中增加了更多参数来解释这些额外的高x数据，然后重新进行了分析。我们发现，在加入高x数据后，正∆g和负∆g复制品之间存在统计学上的显著差异，关键发现是负复制品明显不受欢迎。”

亨特·史密斯接着补充说，JAM分析显示，Δg不仅受到来自深度非弹性散射的高x数据的限制，还受到RHIC不同质子碰撞研究中极化喷流实验结果以及最近的HadStruc格点QCD数据的限制。

结果并非完全确定，但分析表明，负Δg胶子的可能性比以往任何时候都要小得多。

托马斯说：“我不认为有其他任何人将这些杰斐逊实验室的数据纳入任何分析中。我认为这是本分析的一个非常重要的特点。这是一套非常全面的数据集，涵盖其他地区无人能够获取的数据，也是首次被纳入全面的全球分析中。”

Sato 介绍称，虽然 JAM 论文让负 Δg 的可能性降低，但并没有完全排除这种可能性。他补充说，来自杰斐逊实验室正在进行的 CEBAF 12 GeV 研究项目或未来电子离子对撞机等仪器的额外观测数据，可能会取代剩余的理论假设。杰斐逊实验室是布鲁克海文国家实验室的合作伙伴，共同设计和建造布鲁克海文的电子离子对撞机。

“那么脱欧的大门可能将100%关闭，”他表示，“但现在我们基本上正在弥补这一差距。”

参考文献：N.T.亨特-史密斯、C.科库扎、W.梅尔尼丘克、N.佐藤、A.W.托马斯和M.J.怀特于2024年10月16日在《物理评论快报》上发表的“质子中胶子极化符号的新数据驱动约束”。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.161901

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