[論文レビュー] Recent results for the proton spin decomposition from lattice QCD

Constantia Alexandrou, Martha Constantinou+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用数 2

ひとこと要約

このラティスQCD研究では、物理的パイオン質量（mπ ≈ 133 MeV）を持つ規範系において、プロトンスピン分解の初の非摂動的結果を提示する。軸ベクトルおよびベクトルカレントの連結および非連結対応を用いてクォーク形因子を計算し、1⁄2∆Σ = 0.200(17) および Jq = 0.398(60) を得た。グルーオンの角運動量は Ag₂₀ = 0.321(25) として推定され、クォークの軌道的角運動量が顕著な寄与を示し、不確実性のため合計スピンが110%前後に近い値となる可能性がある。

ABSTRACT

The exact decomposition of the proton spin has been a much debated topic, on the experimental as well as the theoretical side. In this talk we would like to report on recent non-perturbative results and ongoing efforts to explore the proton spin from lattice QCD. We present results for the relevant generalized form factors from gauge field ensembles that feature a physical value of the pion mass. These generalized form factors can be used to determine the total spin and angular momentum carried by the quarks. In addition we present first results for our ongoing effort to compute the angular momentum of the gluons in the proton.

研究の動機と目的

• 物理的パイオン質量を用いたラティスQCDにより、第一原理からプロトンスピン分解を計算すること。
• クォークおよびグルーオンの角運動量に関連する一般化部分子分布（GPD）形因子を抽出すること。
• 非摂動的規範場の系を用いて、Jiの和則がプロトンスピンにどのように適用されるかを検証すること。
• 改良された統計とスメアリングを用いた、ラティス上でのグルーオン角運動量の計算可能性を評価すること。

提案手法

• L³×T = 48³×96 および mπ ≈ 133 MeV を有するヨーロピアンツイストドマスコラボラション（ETMC）規範系を用いる。
• 局所的軸ベクトルおよび1階微分付きベクトル演算子の行列要素を計算し、形因子 Aq₂₀(0)、Bq₂₀(0)、および ˜Aq₁₀(0) を抽出する。
• アップ、ダウン、 strange クォークの連結および非連結クォーク対応を適用し、グルーオン寄与にはグルーオンループ対応を用いる。
• グルーオン演算子の信号対ノイズ比を向上させるために、4Dスタウトスメアリング（ω = 0.1315）を最大20ステップまで適用する。
• すべての形因子に対して非摂動的正規化を用い、混合係数は1ループ摂動論で計算する。
• グルーオン形因子 Ag₂₀ を、グルーオンエネルギー運動量テンソル Oμν,gV = G{μρGρν} の行列要素から抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 物理的パイオン質量を用いたラティスQCDにおいて、クォークスピン（1⁄2∆Σ）のプロトン全スピンへの寄与は何か？
• RQ2 アップ、ダウン、ストレンジクォークが全クォーク角運動量 Jq にそれぞれどのように寄与するか？
• RQ3 クォークの軌道的角運動量 Lq は、その固有スピンと比べてどの程度の大きさか？
• RQ4 ラティスQCDによるグルーオン角運動量 Jg の推定値は何か？また、Ag₂₀ 形因子からどのように抽出されるか？
• RQ5 励起状態の汚染や形因子の不完全性といった系誤差が、全スピン和にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• プロトンのクォークスピン寄与は 1⁄2∆Σ = 0.200(17) であり、0.13–0.18 の物性的推定値をわずかに上回る。
• 全クォーク角運動量は Jq = 0.398(60) であり、アップクォークが Ju = 0.296(40)、ダウンクォークが Jd = 0.058(40)、ストレンジクォークが Js = 0.046(20) を寄与する。
• クォークの軌道的角運動量は Lq = 0.198(62) であり、クォークスピンと同程度の顕著な寄与を示す。
• グルーオンの角運動量は Ag₂₀ = 0.321(25) として推定され、⟨x⟩g ≈ 0.321 に対応するが、Bg₂₀ はまだ計算されていない。
• 形因子からの再構成された全プロトンスピンは約110%（大きな誤差を伴う）であり、系誤差や欠落した寄与の可能性を示唆している。
• 結果は物理的パイオン質量系上で得られており、プロトンスピン構造のより信頼性の高い第一原理的研究が可能である。