来自相对论重离子对撞机(RHIC)恒星实验的新数据，为科学家们一直在寻求解决一个有趣谜题增添了细节和复杂性：构成质子组成部分是如何促进其自旋的？在刚刚（2019年3月15日）发表在《物理评论D》(Physical Review D)期刊上的一篇研究论文中：首次明确揭示了不同反夸克对质子整体自旋的影响不同，而且在某种程度上与这些不同类型夸克相对丰富程度相反（名词用术语：夸克的种类被称为“味”，分别是上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）及顶夸克（t）同时也有对应的反夸克）。
博科园-科学科普：阿比林基督教大学(Abilene Christian University) STAR的副发言人詹姆斯·德拉亨伯格(James Drachenberg)说：这项测量表明，质子自旋之谜中的夸克是由几块组成，这不是一个无聊的谜题；它不是均匀分布。这是一幅更复杂的画面，这个结果让我们第一次看到了这幅画面。科学家们对质子自旋的看法已经不是第一次改变了。上世纪80年代，当欧洲核子研究中心(CERN)的一项实验揭示了夸克和反夸克在质子中的自旋之和最多只占总自旋四分之一时，一场全面的自旋“危机”爆发了。
（图示）质子自旋之谜：科学家们想知道质子的不同成分是如何促进其自旋，这是一个基本性质，在宇宙中几乎所有可见物质的形成过程中起着重要作用。这个谜题包括夸克和胶子轨道角动量(左上)、胶子自旋(右上)以及夸克和反夸克自旋(右下)。RHIC的最新数据显示，反夸克贡献比之前认为的要复杂得多。图片：Brookhaven National Laboratory
相对论重离子对撞机(RHIC)是美国能源部科学办公室设在布鲁克海文国家实验室的核物理研究用户设施。相对论重离子对撞机(RHIC)的建立部分是为了让科学家能够测量其他组分的贡献，包括反夸克和胶子(它们将夸克和反夸克“粘合”在一起，或结合在一起形成质子和中子等粒子)。反夸克只有短暂的存在，当胶子分裂时，它们形成夸克对反夸克对。德拉森伯格说：我们称这些对粒子为夸克海，在任何时刻，都有夸克、胶子和大量夸克及反夸克对，它们在某种程度上有助于描述质子。理解这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”
一个关键的考虑是，不同“味”的夸克是否对自旋有不同的贡献？文前“博科园”已表述夸克有六种不同“味”——分别是上夸克（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）反底夸克及顶夸克（t）反顶夸克）美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)的明星合作者恩斯特·希克特曼(Ernst Sichtermann)在“夸克海洋”研究中发挥了领导作用。我们希望(上下配对的)数量相等，但我们看到的情况并非如此。
欧洲核子研究中心(CERN)和美国能源部费米国家加速器实验室(DOE’s Fermi National Accelerator Laboratory)的测量结果一直显示：下反夸克比上反夸克要多。德拉森伯格说：由于这两种味的丰富程度存在着一种不对称，所以我们认为它们在自旋中的作用可能也令人感到惊讶。事实上，RHIC的早期结果表明，这两种口味对自旋的影响可能存在差异，这鼓励了STAR团队做更多的实验。
实现自旋
这一结果代表了20年相对论重离子对撞机(RHIC)旋转计划的数据积累。这是在RHIC之初启动旋转计划两个最初支柱之一的最终结果。在所有这些实验中，STAR分析了RHIC中极化质子碰撞的结果——相对论重离子对撞机(RHIC)的两束质子整体自旋方向以特定方式排列。寻找当一个极化质子束的自旋方向被翻转时产生特定粒子数量上的差异，可以用来跟踪各种组分的自旋排列——因此它们对整个质子自旋的贡献。对于夸克海的测量，恒星物理学家计算了电子和正电子——电子的反物质版本，它们在任何方面都是一样的，只是带的是正电荷而不是负电荷。
（图示）这个模型显示了在这个结果中使用的主要探测器组件。从W-玻色子衰变(或从W+衰变)来的正电子通过时间投影室(TPC)被跟踪到磁场中。磁场导致负粒子和正粒子以相反的方式弯曲，从而使科学家们能够分辨出哪一种是正粒子，哪一种是负粒子。桶形电磁量热计(BEMC)测量垂直于碰撞光束碰撞产生的粒子能量，而电磁端盖量热计(EEMC)则测量正向碰撞产生的粒子能量。这张图显示了一个模拟电子轨迹(红色)，指向BEMC中一个大的局域能量沉积(也是红色)。图片：T. Sakuma
电子和正电子来自于被称为W玻色子的粒子的衰变，W玻色子也有正负两种，这取决于它们是否含有上反夸克或下反夸克。当对撞质子的自旋方向翻转时所产生的电子数差异表明W-产生的差异，并作为测量上反夸克自旋排列的一个标准。同样，正电子差异来自于W+产量的差异，并充当了测量下反夸克自旋贡献的替代角色。
新探测器，提高了精度
最新数据包括恒星端盖热量计捕捉到的信号，它能从每次碰撞中捕捉到沿光束前后移动的粒子。随着这些新数据与垂直于碰撞带出现的粒子数据相结合，科学家们缩小了结果中的不确定性。这些数据首次明确表明：上反夸克自旋对整个质子自旋的贡献要大于下反夸克自旋。中国山东大学徐庆华(音译)说：这种科学家们所称为‘味（夸克）不对称’本身就令人惊讶，但考虑到下反夸克的数量比上反夸克数量还要多，这就更令人惊讶了。正如希克特曼所指出的：如果你回到最初的质子自旋之谜，在那里我们知道夸克和反夸克自旋之和只占质子自旋的一小部分
（图示）极化质子(从左进入光束)和非极化质子(右)的碰撞产生W玻色子(在本例中为W-)。RHIC探测器识别出W玻色子衰变时释放的粒子(在这种情况下是电子，e-)以及它们出现的角度。彩色箭头代表了不同的可能方向，用来探测不同夸克。一个上反夸克(u)和一个下夸克(d)——促成了质子的自旋。图片：Brookhaven National Laboratory
接下来的问题是，胶子的贡献是什么？夸克和胶子轨道运动的贡献是什么？但是，为什么夸克的贡献这么小呢？是因为夸克和反夸克的自旋贡献抵消了吗？还是因为不同夸克而不同？以前的相对论重离子对撞机(RHIC)结果表明，胶子在质子自旋中起着重要作用。这项新的分析清楚地表明，夸克海也发挥着重要作用。这比把胶子分裂成任何你喜欢的味都要复杂得多——这是一个很好的理由让我们深入夸克海洋。坦普尔大学(Temple University)物理学家贝恩德·瑟罗(Bernd Surrow)对此表示赞同。他帮助开发了W玻色子方法，并指导了两名研究生，他们的分析结果促成了这篇新论文的发表。
在相对论重离子对撞机(RHIC)进行了多年的实验工作之后，这一令人兴奋的新结果大大加深了对质子内部夸克和胶子量子涨落的理解。这些都是吸引年轻人的基本问题——学生们将继续扩展我们的知识范围。额外的恒星测量可能会让我们了解奇异夸克/反夸克对自旋的贡献。此外，美国科学家希望在未来计划建造电子-离子对撞机上对自旋之谜进行更深入的研究。这个粒子加速器将利用电子直接探测质子内部组成的自旋结构，并最终解决质子自旋之谜。
博科园-科学科普｜研究/来自:布鲁克海文国家实验室
参考期刊文献:《物理评论D》
DOI: 10.1103/PhysRevD.99.051102
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