[논문 리뷰] Proton spin after 30 years: what we know and what we don't?

Xiangdong Ji, Feng Yuan외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 121인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 EMC 실험 이후 30년이 지난 지금까지 양성자 스핀 구조의 현황을 검토하며, Ji와 Jaffe-Manohar 합규칙을 통해 쿼크 및 글루온 스핀과 궤도 운동량 기여로의 양성자 스핀 분해에 초점을 맞춘다. 라티스 QCD, 대량운동량 효율 이론, JLab 및 RHIC의 실험 데이터를 사용하여 쿼크 궤도 운동량이 상당히 크고 글루온 스핀에 대한 제약 조건이 존재하는 것으로 밝혀졌으며, 향후 전자-이온 충돌기(EIC)가 고정밀 측정을 통해 남아 있는 불확실성을 해결할 것으로 기대된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 쿼크가 양성자의 스핀을 거의 기여하지 않는 EMC 실험의 놀라운 결과 이후 현재의 양성자 스핀 구조 이해 수준을 평가하기 위해.
• 특히 Ji 합규칙과 Jaffe-Manohar 합규칙을 중심으로 다양한 스핀 분해 접근법의 물리적 의미와 실험적 접근 가능성 명확화하기 위해.
• 라티스 QCD와 대량운동량 효율 이론을 이용한 근본 원리 계산이 쿼크 및 글루온 스핀과 궤도 운동량 기여를 어떻게 결정하는지 평가하기 위해.
• 앞서 진행될 실험, 특히 JLab 12 GeV 프로그램과 전자-이온 충돌기(EIC)가 양성자 스핀 구조 분야의 남아 있는 질문들을 어떻게 해결할 것인지 예측하기 위해.

제안 방법

• 일반화된 파arton 분포(GPDs)에서 유도된 프레임 불변 분해를 통해 양성자 스핀을 쿼크 스핀, 쿼크 궤도 운동량(Lq), 글루온 총 운동량(Jg)으로 나누는 Ji 합규칙을 활용한다.
• 무한한 운동량 프레임에서의 Jaffe-Manohar 합규칙을 적용하여 양성자 스핀을 쿼크 및 글루온 스핀(ΔΣ/2, ΔG)과 캐논칼 궤도 운동량(ℓq, ℓg)으로 분해한다.
• 라티스 QCD 시뮬레이션과 대량운동량 효율 이론(LaMET)을 조합하여 ΔΣ, Lq, Jg, ΔG 등의 스핀 기여를 근본 원리 계산으로 수행한다.
• JLab 6 GeV 및 HERMES의 실험 데이터를 분석하여 쿼크 궤도 운동량을 추출하고, RHIC 스핀 실험 데이터를 통해 총 글루온 스핀 ΔG의 제약 조건을 도출한다.
• EIC에서 J/ψ 생성 및 비탄성 이젯 생성과 같은 하드 배타적 과정을 통해 ΔG, Jg, ℓg를 고정밀도로 측정할 수 있는 민감도를 예측한다.
• 위그너 분포와 운동량-가로성분 분포를 포함한 이론적 프레임워크를 활용하여 비탄성 과정의 스핀 비대칭과 캐논칼 글루온 궤도 운동량 간의 연결을 모색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 틀에 구애받지 않는 합규칙과 무한한 운동량 프레임 합규칙을 사용하여, 양성자 스핀이 쿼크 및 글루온 스핀과 궤도 운동량 기여로 얼마나 잘 분해될 수 있는가?
• RQ2 쿼크 궤도 운동량(Lq)이 양성자 스핀에 얼마나 기여하는가? 그리고 일반화된 파arton 분포(GPD) 모멘트로부터 어떻게 추출할 수 있는가?
• RQ3 기존 실험으로 총 글루온 스핀(ΔG)은 어느 정도 제약을 받는가? 향후 EIC와 같은 실험은 어떤 정밀도에 도달할 수 있는가?
• RQ4 대량운동량 효율 이론과 함께 라티스 QCD 계산을 활용한 근본 원리 계산이 양성자의 개별 스핀 성분을 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ5 전자-이온 충돌기(EIC)는 글루온과 궤도 운동량 기여에 대해 남아 있는 불확실성을 어떻게 해결할 것인가?

주요 결과

• JLab 6 GeV 및 HERMES 실험은 상당한 양의 쿼크 궤도 운동량 기여(Lq)에 대한 증거를 제공하며, 양성자 파동함수 내에서 비트리비얼한 공간적 및 스핀 상관관계를 시사한다.
• RHIC 스핀 실험은 총 글루온 스핀(ΔG)에 대한 첫 번째 중요한 제약 조건을 제공하였으며, 비제로이지만 아직 정밀하게 결정되지 않은 기여를 나타낸다.
• 대량운동량 효율 이론(LaMET)을 활용한 라티스 QCD 계산은 ΔΣ, Lq, Jg, ΔG에 대해 근본 원리 결과를 도출하였으며, 양성자 스핀 구조에 대한 일관된 이론적 그림을 제공한다.
• 전자-이온 충돌기(EIC)는 ΔΣ 및 ΔG의 불확실성을 수십 배에서 수백 배 이상 감소시켜 쿼크 및 글루온 스핀 기여에 대해 가장 엄격한 제약 조건을 제공할 것으로 기대된다.
• EIC에서의 하드 배타적 과정, 예를 들어 비탄성 이젝션 이젝션 또는 J/ψ 생성을 통해 스핀 비대칭을 통해 캐논칼 글루온 궤도 운동량(ℓg)에 직접 접근할 수 있으며, 이는 스핀 합규칙 분해를 완성한다.
• 위그너 분포와 궤도 운동량 간의 이론적 연결 개발은 향후 EIC 측정이 스핀과 공간 상관관계를 포함한 파arton의 전면 3D 톰오그라피를 탐색할 수 있음을 시사한다.