【原】确定质子内胶子自旋的方向-光直接测量自旋的成果-

2023年6月22日

理化学研究所

确定质子内胶子自旋的方向-光直接测量自旋的成果-

由理化学研究所(理研)仁科加速器科学研究中心RHIC物理研究室的秋叶康之室长、后藤雄二前任研究员、拉尔夫·赛德尔专职研究员等参加的国际共同研究小组使用美国布鲁克黑文国立研究所( BNL )的碰撞型加速器「RHIC」[1]，通过质子内部夸克[2]和胶子[2]散射直接生成的光(直接光子)，正确测量了胶子自旋的方向，证明了胶子自旋和质子自旋的方向是相同的。可以期待本研究成果对今后量子科学的发展有很大的贡献。 质子、电子和基本粒子具有与地球自转相似的被称为自旋的固有性质，自旋有向上或向下的方向。 质子由夸克和胶子这些基本粒子构成，为了说明质子自旋，有必要研究胶子的方向。 此次，国际共同研究小组利用RHIC，使自旋方向一致的质子(极化质子)相互碰撞，成功测量了由胶子的散射生成的直接光子数的非对称度[3]。 明确了所得的实验数据决定性地支持了胶子自旋的方向和质子自旋的方向相同。 本研究刊登在美国科学杂志《Physical Review Letters》在线版( 6月21日:日本时间6月22日)上。

夸克和胶子构成的质子内部结构概要图

  

背景

质子、电子和基本粒子具有与地球自转相似的固有角动量(自旋角动量[4] )，称为“自旋”，自旋有向上或向下的方向。 自旋不仅支配着基本粒子之间的反应和基本粒子的衰变，例如质子自旋也被用于核磁共振成像( MRI )等物质的性质分析，从量子科学的基础研究到应用都是广泛使用的探针。 质子的内部由夸克和胶子这些基本粒子构成。 直到50多年前，人们还认为质子自旋的方向由质子内夸克自旋方向的总和决定。 但是，在20世纪80年代调查夸克自旋的方向后，得知即使将其加在一起，质子自旋方向也只有30%左右，此后作为“质子自旋之谜”被认为是原子核物理学的大问题。 本来，质子自旋的方向本身(用1/2表示)作为其起源，应该通过将夸克自旋和胶子自旋的方向(自旋角动量)以及夸克和胶子的轨道角动量[4]相加来说明(图1 )。 因此，要解开质子自旋之谜，有必要调查质子内胶子自旋的方向，但测量并不容易。

图1质子自旋的起源

由于作为质子构成要素的夸克和胶子的自旋方向(自旋角动量)以及轨道角动量分别参与质子自旋的方向(质子的自旋角动量)，因此由这四个和给出。

如果只是让质子加速的话，在质子在加速器中绕圈飞行的过程中，质子自旋的方向会变得零散。 理研和美国布鲁克黑文国立研究所( BNL )的研究小组为了在碰撞型加速器“RHIC”中实现自旋方向一致的质子(称为极化质子)波束，在磁场中旋转质子自旋方向，开发了保持质子方向的特别电磁铁(因为那个时候光束会曲折，所以被称为“西伯利亚蛇”)。 因此，2001年首次成功地加速了极化质子束，使极化质子相互碰撞，开始了旨在理解质子内部结构(包括胶子自旋相对于质子自旋方向的方向)的PHENIX实验[5]。2014年，利用极化质子碰撞实验产生的中性饼子[6]和射流[7]的生成反应，成功测量了胶子自旋的方向。注1 )由于该生成反应包括各种夸克、胶子、夸克和胶子的碰撞，因此为了得到正确的结果，需要通过理论计算进行比较分析。 另一方面，有不需要理论计算的比较分析，通过测量夸克和胶子散射直接生成的光(直接光子)来调查胶子自旋方向的方法，从PHENIX实验开始之初就积累了实验数据。 直接光子的生成是对于胶子自旋的方向是与质子自旋相同还是相反也能单独给出答案的“黄金反应过程”。 本研究通过该直接光子的测量，高精度地调查了胶子自旋的方向。

• 注1 ) 2016年1月8日新闻发布会《精密测量质子内部胶子的方向》

研究方法和成果

国际共同研究小组使用RHIC使极化质子彼此碰撞，测量了胶子散射直接光子生成数的不对称度。 高能质子之间碰撞的话，会产生很多中性馅饼介子等粒子，中性馅饼介子在产生后马上衰变为2个光子。 这个衰变光子的量是直接光子量的好几倍，会成为妨碍直接光子测量的杂音，所以有必要将直接光子的信号与衰变光子的杂音分离。 为此，首先要去除光子中已知中性馅饼介子衰变起源的东西。 其次，利用衰变光子附近经常产生其他粒子，而直接光子周围很少产生其他粒子，处于孤立状态的差异，去除周边存在其他粒子的光子。 这样，提高了直接光子在测量的光子中所占的比例，进而修正了剩下的衰变光子的影响。 掌握这个实验成败的关键的是，从巨大的杂音中，能正确识别黄金的反应过程——从胶子的散射中直接生成的光子的被称为电磁热量计的检测器的性能。 这次在为碰撞实验制作的众多检测器中，使用了最细分的PHENIX实验用电磁热量计。 图2的照片是碰撞点两侧的PHENIX实验用电磁热量计之一。 由6×12的模块构成，一个模块进一步细分为12×12。 如果这个电磁热量计的细分不够，当两个光子太近时，两个光子就会合并成一个簇，无法分离两个光子。 细分为1万个以上的检测器之一的“眼睛”预计角度约为0.6度，非常狭窄，因此只有该检测器能够充分去除衰变光子的噪声。

图2用于2 PHENIX实验的电磁热量计

电磁热量计是用于测量光子的检测器。 此次，使用了用于碰撞实验的检测器中最细分化的电磁热量计。 由6×12的模块构成，一个模块进一步细分为12×12。

测量结果表明，生成的直接光子大部分具有正不对称度(胶子自旋的方向和质子自旋的方向相同) (图3中的红圈)。 图3用蓝黄铜带表示了三种理论计算的预想。 其中只有绿色的理论计算是生成的直接光子具有负非对称度(胶子自旋的方向与质子自旋的方向相反)的理论，我们发现该理论的正确概率非常低，为0.3%以下。 因此，实验数据决定性地支持了胶子自旋的方向与质子自旋的方向相同。

图3测量的直接光子生成数的不对称度和理论计算的比较

此次PHENIX实验中直接光子生成数的不对称度用红圈表示。 红圈上的纵向条表示统计误差。 带的三条线(蓝、黄、绿)是理论计算预测，带的宽度表示其不确定度。 红圈的大部分具有正的非对称度，因此支持了胶子自旋的方向与质子自旋的方向相同。

今后的期待

在美国原子核物理领域的下一个大型计划下，质子内部胶子自旋的方向将通过在BNL建设的电子离子碰撞型加速器( Electron-Ion Collider:EIC )进行更加精密的测量。 该EIC加速器还将进行质子内部夸克和胶子的轨道角动量的测量，预计将对质子自旋的起源产生决定性的结果。 质子自旋是从量子科学的基础研究到应用都被广泛使用的探针，作为其起源的胶子自旋的研究成果有望对量子科学的发展做出巨大的贡献。

补充说明

• 1 .撞击式加速器“RHIC” 位于美国布鲁克黑文国立研究所( BNL )的加速器，拥有两个独立的超导加速环，可以加速和碰撞从质子到金铀等原子核的各种粒子束。 全周约有3，800 m，从2000年开始进行了各种粒子组合的碰撞实验。 对于质子来说，这是世界上唯一可以在其自旋极化的状态下(在方向一致的状态下)加速碰撞的加速器。 RHIC是Relativistic Heavy Ion Collider的缩写，读作“瑞克”。 2 .夸克、胶子 两者都是构成物质的最基本的构成要素——基本粒子。 夸克有向上( u )、向下( d )、阻力( s )、聚集( c )、向下( b )、向上( t ) 6种。 胶子起到联系夸克的“胶水”的作用。 3 .不对称度 这里是表示碰撞的极化质子的自旋方向相同时和相反方向时，直接光子的生成数差异的尺度。 通过直接光子生成数不对称度的测量和理论计算，可以高精度地求出胶子自旋方向对质子自旋方向的贡献。 4 .自旋角动量，轨道角动量 角动量除了来自粒子旋转运动的轨道角动量外，还有量子力学概念中粒子具有的固有角动量——自旋角动量(自旋的方向)。 粒子的自旋角动量也简称为自旋。 全角动量是轨道角动量和自旋角动量之和。 5.PHENIX实验 使用碰撞型加速器“RHIC”的高能重离子及极化质子碰撞实验之一。 关于重离子碰撞产生的超高温高密度物质夸克胶子等离子体( QGP )和极化质子碰撞反应产生的质子内部结构正在进行研究。 PHENIX实验由来自世界14个国家的78个研究机构、约500名大型国际研究小组进行，来自日本的有理研、东京工业大学、京都大学、立教大学、日本原子能研究开发机构、东京大学、筑波大学、广岛大学、高能加速器研究机构、长崎综合科学大学、奈良女子大学的11所大学 “PHENIX”是pioneering high energy nuclear interaction experiment的简称。 6 .馅饼介子 在原子核内中介使质子和中子紧密结合的力的粒子。 质量约为电子的270倍，电荷有带电(正负)、中性3种。 7 .喷气式飞机 夸克和胶子破碎生成的许多粒子的集合。

国际联合研究组

理化研究所仁科加速器科研中心RHIC物理研究室 秋叶康之 前任研究员后藤雄二 客座主管研究员延与秀人 专职研究员中川格 专职研究员拉尔夫·赛德尔( Ralf SEIDL ) 特别委托研究员渡边康 专职研究员四日市悟 RBRC法罗(研究当时)冈田谦介(奥卡达肯斯克) 本研究是作为来自世界14个国家的78个研究机构、约500名大型国际研究小组进行的PHENIX实验的一环而进行的。

原论文信息

• U.A. Acharya et al. [PHENIX Collaboration], "Measurement of Direct-Photon Cross Section and Double-Helicity Asymmetry at √s = 510 GeV in p→ + p→ Collisions", Physical Review Letters, 10.1103/PhysRevLett.130.251901

主讲人

理化研究所 仁科加速器科研中心RHIC物理研究室 秋叶康之 前任研究员后藤雄二 专职研究员拉尔夫·赛德尔( Ralf SEIDL )