Структурная функция спина протона g2 как функция инвариантной массы W. Каждая панель настроена на постоянный передаваемый импульс Q2 (значение в верхнем левом углу); это значение Q2 представлено в единицах ГэВ2. Столбики погрешностей являются статистическими и являются результатом распространения стандартного отклонения необработанных измеренных значений при окончательном анализе. Заштрихованная область представляет собой систематическую неопределенность, в которой преобладают систематика неполяризованной модели и коэффициент разбавления, как обсуждалось в основном тексте. Черная пунктирная линия представляет феноменологическую модель Холла В34,35. Серая линия указывает ноль, чтобы было легче различать изменения знака в данных. Авторы и права: Рут и др. Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01781-y

Квантовая хромодинамика — это область исследований, изучающая сильные взаимодействия между кварками, опосредованными глюонами. Кварки — это элементарные частицы с электрическим зарядом, которые являются строительными блоками составных частиц, таких как адроны и протоны.

Некоторые аспекты сильных взаимодействий в режиме квантовой хромодинамики до сих пор плохо изучены, особенно когда речь идет о взаимодействиях при низких энергиях и с малым переданным импульсом. Одной из теорий, которая делает предсказания об обобщенных поляризуемости нуклонов (т. е. фундаментальных величин, описывающих отклик нуклона на внешнее поле в квантовой хромодинамике), является киральная теория возмущений.

Киральное возмущение - это эффективная теория поля, соответствующая предполагаемой киральной симметрии квантовой хромодинамики. Эта теория часто используется для изучения низкоэнергетических взаимодействий в режиме квантовой хромодинамики, особенно с точки зрения лежащей в их основе киральной симметрии.

Исследователи из Университета Нью-Гэмпшира, Университета Вирджинии, Колледжа Уильяма и Мэри и других институтов в США и Китае недавно проверили предсказания киральной теории возмущений в экспериментальных условиях. Их статья, опубликованная в журнале Nature Physics, предлагает измерение спиновой структуры и обобщенных поляризуемости протона в режиме сильной квантовой хромодинамики.

«Есть всего несколько характеристик, которые обобщают свойства протона — масса, заряд и т. д.», — сказал Phys.org Карл Слифер, один из исследователей, проводивших исследование. «Учитывая роль протона как основной частицы во всей видимой материи, очень важно, чтобы мы хорошо понимали эти несколько свойств. Около десяти лет назад стало ясно, что теоретическое понимание одной из этих величин — известной как обобщенная спиновая поляризуемость — было очень неудовлетворительно».

Ключевой целью недавней работы Слифера и его коллег было надежное измерение обобщенной спиновой поляризуемости протона. Для этого они использовали твердую мишень из поляризованного аммиака (NH₃) с сильным магнитным полем, ориентированную перпендикулярно направлению падающего электронного луча.

«Наша конструкция вызывает большое отклонение луча, когда он проходит через поле на пути к цели», — пояснил Слифер. «Поэтому потребовалось много инженерных работ, чтобы направить луч на цель, и годы анализа, чтобы получить сечение реакции из рассеянных электронов, вышедших из цели».

Используя собранные ими измерения, Слифер и его коллеги смогли охарактеризовать внутреннюю спиновую структуру отдельных протонов (то есть субатомных частиц, обнаруженных в ядрах атомов). Из своих данных они также извлекли продольно-поперечную спиновую поляризуемость протона, матричный элемент твист-3 и поляризуемость d₂, важные параметры, оцененные по киральной теории возмущений.

«Есть две основные группы теоретиков, которые выполняют расчеты этой величины», — сказал Слифер. «Эти группы используют немного разные подходы, но оба предсказания в принципе следуют непосредственно из тех же предположений и симметрий, что и квантовая хромодинамика (КХД). КХД — это теория сильного взаимодействия — одного из четырех известных взаимодействий в природе — и прямые проверки Общеизвестно, что КХД трудно найти».

В конечном счете, чтобы убедиться в достоверности теоретических предсказаний, эти предсказания необходимо проверить в экспериментальных условиях. Выводы, полученные Слифером и его коллегами, могут быть использованы для проверки предсказаний, сделанных киральной теорией возмущений, что, в свою очередь, может улучшить наше понимание режима сильной квантовой хромодинамики, включая спиновую структуру и обобщенные спиновые поляризуемости протонов.

«Данные о поперечно поляризованных протонах исторически скудны, потому что эти эксперименты очень сложно проводить и анализировать», — добавил Слифер. «Но наши результаты показывают, что такого рода данные действительно помогают прояснить, как именно возникают спин-зависимые свойства протона. Наши коллеги-теоретики попросили нас расширить эти измерения до более высоких энергий. Это еще один очень сложный эксперимент, который потребуются годы, чтобы запустить и проанализировать, но это должно быть завершено».