來自相對論重離子對撞機(RHIC)恆星實驗的新數據，為科學家們一直在尋求解決一個有趣謎題增添了細節和複雜性：構成質子組成部分是如何促進其自旋的？在剛剛（2019年3月15日）發表在《物理評論D》(Physical Review D)期刊上的一篇研究論文中：首次明確揭示了不同反夸克對質子整體自旋的影響不同，而且在某種程度上與這些不同類型夸克相對豐富程度相反（名詞用術語：夸克的種類被稱為「味」，分別是上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）及頂夸克（t）同時也有對應的反夸克）。

博科園-科學科普：阿比林基督教大學(Abilene Christian University) STAR的副發言人詹姆斯·德拉亨伯格(James Drachenberg)說：這項測量表明，質子自旋之謎中的夸克是由幾塊組成，這不是一個無聊的謎題；它不是均勻分布。這是一幅更複雜的畫面，這個結果讓我們第一次看到了這幅畫面。科學家們對質子自旋的看法已經不是第一次改變了。上世紀80年代，當歐洲核子研究中心(CERN)的一項實驗揭示了夸克和反夸克在質子中的自旋之和最多只佔總自旋四分之一時，一場全面的自旋「危機」爆發了。

（圖示）質子自旋之謎：科學家們想知道質子的不同成分是如何促進其自旋，這是一個基本性質，在宇宙中幾乎所有可見物質的形成過程中起著重要作用。這個謎題包括夸克和膠子軌道角動量(左上)、膠子自旋(右上)以及夸克和反夸克自旋(右下)。RHIC的最新數據顯示，反夸克貢獻比之前認為的要複雜得多。圖片：Brookhaven National Laboratory

相對論重離子對撞機(RHIC)是美國能源部科學辦公室設在布魯克海文國家實驗室的核物理研究用戶設施。相對論重離子對撞機(RHIC)的建立部分是為了讓科學家能夠測量其他組分的貢獻，包括反夸克和膠子(它們將夸克和反夸克「粘合」在一起，或結合在一起形成質子和中子等粒子)。反夸克只有短暫的存在，當膠子分裂時，它們形成夸克對反夸克對。德拉森伯格說：我們稱這些對粒子為夸克海，在任何時刻，都有夸克、膠子和大量夸克及反夸克對，它們在某種程度上有助於描述質子。理解這些海夸克在某些方面的作用，但不是在自旋方面。

探索夸克海洋的「味道」

一個關鍵的考慮是，不同「味」的夸克是否對自旋有不同的貢獻？文前「博科園」已表述夸克有六種不同「味」——分別是上夸克（u）反上夸克、下夸克（d）反下夸克、奇夸克（s）反奇夸克、粲夸克（c）反粲夸克、底夸克（b）反底夸克及頂夸克（t）反頂夸克）美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)的明星合作者恩斯特·希克特曼(Ernst Sichtermann)在「夸克海洋」研究中發揮了領導作用。我們希望(上下配對的)數量相等，但我們看到的情況並非如此。

歐洲核子研究中心(CERN)和美國能源部費米國家加速器實驗室(DOE』s Fermi National Accelerator Laboratory)的測量結果一直顯示：下反夸克比上反夸克要多。德拉森伯格說：由於這兩種味的豐富程度存在著一種不對稱，所以我們認為它們在自旋中的作用可能也令人感到驚訝。事實上，RHIC的早期結果表明，這兩種口味對自旋的影響可能存在差異，這鼓勵了STAR團隊做更多的實驗。

實現自旋

這一結果代表了20年相對論重離子對撞機(RHIC)旋轉計劃的數據積累。這是在RHIC之初啟動旋轉計劃兩個最初支柱之一的最終結果。在所有這些實驗中，STAR分析了RHIC中極化質子碰撞的結果——相對論重離子對撞機(RHIC)的兩束質子整體自旋方向以特定方式排列。尋找當一個極化質子束的自旋方向被翻轉時產生特定粒子數量上的差異，可以用來跟蹤各種組分的自旋排列——因此它們對整個質子自旋的貢獻。對於夸克海的測量，恆星物理學家計算了電子和正電子——電子的反物質版本，它們在任何方面都是一樣的，只是帶的是正電荷而不是負電荷。

（圖示）這個模型顯示了在這個結果中使用的主要探測器組件。從W-玻色子衰變(或從W 衰變)來的正電子通過時間投影室(TPC)被跟蹤到磁場中。磁場導致負粒子和正粒子以相反的方式彎曲，從而使科學家們能夠分辨出哪一種是正粒子，哪一種是負粒子。桶形電磁量熱計(BEMC)測量垂直於碰撞光束碰撞產生的粒子能量，而電磁端蓋量熱計(EEMC)則測量正向碰撞產生的粒子能量。這張圖顯示了一個模擬電子軌跡(紅色)，指向BEMC中一個大的局域能量沉積(也是紅色)。圖片：T. Sakuma

電子和正電子來自於被稱為W玻色子的粒子的衰變，W玻色子也有正負兩種，這取決於它們是否含有上反夸克或下反夸克。當對撞質子的自旋方向翻轉時所產生的電子數差異表明W-產生的差異，並作為測量上反夸克自旋排列的一個標準。同樣，正電子差異來自於W 產量的差異，並充當了測量下反夸克自旋貢獻的替代角色。

新探測器，提高了精度

最新數據包括恆星端蓋熱量計捕捉到的信號，它能從每次碰撞中捕捉到沿光束前後移動的粒子。隨著這些新數據與垂直於碰撞帶出現的粒子數據相結合，科學家們縮小了結果中的不確定性。這些數據首次明確表明：上反夸克自旋對整個質子自旋的貢獻要大於下反夸克自旋。中國山東大學徐慶華(音譯)說：這種科學家們所稱為『味（夸克）不對稱』本身就令人驚訝，但考慮到下反夸克的數量比上反夸克數量還要多，這就更令人驚訝了。正如希克特曼所指出的：如果你回到最初的質子自旋之謎，在那裡我們知道夸克和反夸克自旋之和只佔質子自旋的一小部分

（圖示）極化質子(從左進入光束)和非極化質子(右)的碰撞產生W玻色子(在本例中為W-)。RHIC探測器識別出W玻色子衰變時釋放的粒子(在這種情況下是電子，e-)以及它們出現的角度。彩色箭頭代表了不同的可能方向，用來探測不同夸克。一個上反夸克(u)和一個下夸克(d)——促成了質子的自旋。圖片：Brookhaven National Laboratory

接下來的問題是，膠子的貢獻是什麼？夸克和膠子軌道運動的貢獻是什麼？但是，為什麼夸克的貢獻這麼小呢？是因為夸克和反夸克的自旋貢獻抵消了嗎？還是因為不同夸克而不同？以前的相對論重離子對撞機(RHIC)結果表明，膠子在質子自旋中起著重要作用。這項新的分析清楚地表明，夸克海也發揮著重要作用。這比把膠子分裂成任何你喜歡的味都要複雜得多——這是一個很好的理由讓我們深入夸克海洋。坦普爾大學(Temple University)物理學家貝恩德·瑟羅(Bernd Surrow)對此表示贊同。他幫助開發了W玻色子方法，並指導了兩名研究生，他們的分析結果促成了這篇新論文的發表。

在相對論重離子對撞機(RHIC)進行了多年的實驗工作之後，這一令人興奮的新結果大大加深了對質子內部夸克和膠子量子漲落的理解。這些都是吸引年輕人的基本問題——學生們將繼續擴展我們的知識範圍。額外的恆星測量可能會讓我們了解奇異夸克/反夸克對自旋的貢獻。此外，美國科學家希望在未來計劃建造電子-離子對撞機上對自旋之謎進行更深入的研究。這個粒子加速器將利用電子直接探測質子內部組成的自旋結構，並最終解決質子自旋之謎。

博科園-科學科普｜研究/來自: 布魯克海文國家實驗室

參考期刊文獻:《物理評論D》

DOI: 10.1103/PhysRevD.99.051102

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