En ny studie publicerad i Physical Review Letters (16 oktober 2024) av N. T. Hunt-Smith och kollegor presenterar banbrytande insikter om gluonernas roll i protonens spinnstruktur. Genom att använda avancerade datadrivna metoder har forskarna satt nya begränsningar på tecknet och storleken av gluonpolarisationen, vilket är avgörande för att förstå hur protonens spinn uppstår från dess beståndsdelar.
Bakgrund: Protonens spinnstruktur
Protonens spinn är en av de mest fundamentala egenskaperna hos denna partikel, men dess ursprung är fortfarande inte helt förstått. Protonen består av tre kvarkar (två uppkvarkar och en nedkvark) som hålls samman av gluoner, de kraftbärande partiklarna i den starka kärnkraften. Spinnet hos protonen tros vara en kombination av:
- Kvarkarnas spinn.
- Gluonernas spinn och polarisation.
- Orbitalrörelsen hos kvarkar och gluoner.
Tidigare experiment har visat att kvarkarnas spinn endast bidrar med en liten del av protonens totala spinn, vilket gör gluonernas roll avgörande för att lösa detta ”spinnpussel”.
Gluonpolarisation: Vad är det?
Gluonpolarisation beskriver hur gluonernas spinn är riktat i förhållande till protonens spinn. Den kan vara:
- Positivt polariserad: Gluonernas spinn är i samma riktning som protonens spinn.
- Negativt polariserad: Gluonernas spinn är i motsatt riktning.
- Opolariserad: Gluonerna har ingen preferens i spinnriktning.
Att bestämma tecknet och storleken på gluonpolarisationen är avgörande för att förstå hur mycket gluoner bidrar till protonens totala spinn.
Metod: Datadrivna analyser
Forskarna använde en kombination av experimentella data och teoretiska modeller för att analysera gluonpolarisationen. De använde data från:
- Polarisationsmätningar: Experiment där protoner kollideras med polariserade partiklar för att mäta gluonernas spinnbidrag.
- Global analys: En metod som kombinerar data från flera experiment för att skapa en mer komplett bild av gluonpolarisationen.
Genom att använda avancerade statistiska metoder och maskininlärning kunde forskarna minska osäkerheterna i tidigare mätningar och sätta nya begränsningar på gluonpolarisationens tecken.
Resultat
- Tecknet för gluonpolarisation:
- Studien bekräftar att gluonpolarisationen är positiv, vilket innebär att gluonernas spinn i genomsnitt är riktat i samma riktning som protonens spinn.
- Storleken på gluonpolarisationen:
- Gluonernas bidrag till protonens spinn är betydande, men inte tillräckligt för att helt förklara protonens totala spinn. Detta tyder på att andra faktorer, som orbitalrörelsen hos kvarkar och gluoner, också spelar en viktig roll.
- Förbättrad precision:
- De nya datadrivna metoderna har minskat osäkerheterna i tidigare mätningar, vilket ger en mer exakt bild av gluonernas roll i protonens spinn.
Betydelse och framtida forskning
Förståelsen av protonens spinn:
- Denna studie är ett viktigt steg mot att lösa protonens spinnpussel och förstå hur dess spinn uppstår från dess beståndsdelar.
För kärnfysik och partikelfysik:
- Resultaten har konsekvenser för teorier om den starka kärnkraften och kvantkromodynamik (QCD), som beskriver hur kvarkar och gluoner interagerar.
Framtida experiment:
- Forskarna föreslår att ytterligare experiment, särskilt vid nästa generations partikelacceleratorer som Electron-Ion Collider (EIC), kan ge ännu mer detaljerade insikter om gluonpolarisationen och dess roll i protonens spinn.
Slutsats
Studien av Hunt-Smith och kollegor representerar ett stort framsteg inom förståelsen av protonens spinnstruktur. Genom att använda avancerade datadrivna metoder har forskarna bekräftat att gluonpolarisationen är positiv och bidrar betydligt till protonens spinn. Detta arbete lägger grunden för framtida forskning om de fundamentala krafterna och partiklarna som bygger upp vår värld.
Referens
- Hunt-Smith, N. T., Cocuzza, C., Melnitchouk, W., Sato, N., Thomas, A. W., & White, M. J. (2024). New Data-Driven Constraints on the Sign of Gluon Polarization in the Proton. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.161901
