[論文レビュー] Proton spin after 30 years: what we know and what we don't?

Xiangdong Ji, Feng Yuan+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 121被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、EMC実験から30年が経過した現在の陽子スピン構造の状況をレビューし、JiおよびJaffe-Manoharの和則を用いたクォークおよびグルーオンのスピンと軌道角運動量への分解に焦点を当てる。Lattice QCD、大運動量有効理論、JLabおよびRHICからの実験データを用いて、クォークの軌道角運動量が顕著で、グルーオンのスピンの寄与に制約が得られていることが判明した。将来の電子-イオン衝突型加速器（EIC）は、高精度測定により残存する不確実性を解消すると期待される。

ABSTRACT

More than three decades has passed since the European Muon Collaboration published the first surprising result on the spin structure of the proton. Much theoretical and experimental progress has been made in understanding the origins of the proton spin. In this review, we will discuss what we have learned so far, what are still missing, and what we shall expect to learn from the upcoming experiments including JLab 12 GeV and Electron-Ion Collider. In particular, we focus on first principles calculations and experimental measurements of the total gluon helicity $ΔG$, and quark and gluon orbital angular momenta.

研究の動機と目的

• クォークが陽子スピンのほとんどを担わないというEMC実験の驚くべき結果に続く、現在の陽子スピン構造の理解を評価すること。
• 特にJiの和則とJaffe-Manoharの和則に焦点を当て、さまざまなスピン分解アプローチの物理的意味と実験的可測性を明確にすること。
• 格子QCDおよび大運動量有効理論を用いた第一原理計算が、クォークおよびグルーオンのスピンと軌道角運動量寄与をどのように決定するかを評価すること。
• 近い将来の実験、特にJLab 12 GeV計画および電子-イオン衝突型加速器（EIC）が、陽子スピン構造における未解決の問題をどのように解消するかを予測すること。

提案手法

• 一般化部分子分布（GPD）から導かれるフレーム不変な分解を示すJiの和則を用い、陽子スピンをクォークスピン、クォークの軌道角運動量（Lq）、グルーオンの全角運動量（Jg）に分解する。
• 無限大運動量フレームで有効なJaffe-Manoharの和則を適用し、陽子スピンをクォークおよびグルーオンのスピン（ΔΣ/2、ΔG）と標準的軌道角運動量（ℓq、ℓg）に分解する。
• 大運動量有効理論（LaMET）と格子QCDシミュレーションを組み合わせ、ΔΣ、Lq、Jg、ΔGなどのスピン寄与を第一原理的に計算する。
• JLab 6 GeVおよびHERMESの実験データを分析し、クォークの軌道角運動量を抽出する。また、RHICスピン実験のデータを用いて、グルーオン全スピン（ΔG）の制約を求める。
• 電子-イオン衝突型加速器（EIC）が、J/ψ生成やドリフト型ジジェット生成といったハード排他的過程を通じて、ΔG、Jg、ℓgを高精度で測定する可能性を予測する。
• ウィグナー分布および横運動量依存部分子分布を用いた理論的枠組みを用い、ドリフト型過程におけるスピン非対称性と標準的グルーオンの軌道角運動量を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレーム不変な和則と無限大運動量フレームでの和則を用いて、陽子スピンをクォークおよびグルーオンのスピンと軌道角運動量寄与にどの程度分解できるか。
• RQ2 クォークの軌道角運動量（Lq）は陽子スピンにどの程度寄与しているか。また、GPDモーメントからどのように抽出できるか。
• RQ3 現在の実験でグルーオン全スピン（ΔG）はどの程度制約されており、将来の実験（EICなど）がどの程度の精度に達するか。
• RQ4 大運動量有効理論と組み合わせた第一原理的格子QCD計算は、陽子の個々のスピン成分を信頼性を持って予測できるか。
• RQ5 電子-イオン衝突型加速器（EIC）は、グルーオンおよび軌道角運動量寄与に関して残存する不確実性をどのように解消するか。

主な発見

• JLab 6 GeVおよびHERMES実験は、クォークの軌道角運動量寄与（Lq）が顕著であるという証拠を提供しており、陽子波動関数における非自明な空間的およびスピン相関を示唆している。
• RHICスピン実験は、グルーオン全スピン（ΔG）に対する最初の重要な制約を提供しており、陽子スピンへの寄与は非ゼロであるが、まだ正確に特定されていない。
• 大運動量有効理論（LaMET）を用いた格子QCD計算により、ΔΣ、Lq、Jg、ΔGの第一原理的結果が得られ、陽子スピン構造の一貫した理論的画像が得られた。
• 電子-イオン衝突型加速器（EIC）は、ΔΣおよびΔGの不確実性を桁数オーダーで低減し、クォークおよびグルーオンスピン寄与に対する最も厳密な制約を提供すると予想される。
• EICにおけるハード排他的過程、例えばドリフト型ジジェット生成やJ/ψ生成を通じて、スピン非対称性を介して標準的グルーオンの軌道角運動量（ℓg）に直接アクセス可能となり、スピン和則の分解が完全に達成される。
• ウィグナー分布と軌道角運動量を結びつける理論的進展は、将来的なEIC測定が、スピンおよび空間的相関を含む部分子の3次元トモグラフィーを探索可能であることを示唆している。