[论文解读] 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 7

一句话总结

本文回顾了自EMC实验以来三十年间质子自旋结构的研究进展，聚焦于通过Ji与Jaffe-Manohar求和规则，将质子自旋分解为夸克与胶子的螺旋度及轨道角动量贡献。结合格点QCD、大动量有效理论及JLab与RHIC的实验数据，研究识别出显著的夸克轨道角动量，并对胶子螺旋度施加了约束，未来电子-离子对撞机（EIC）有望通过高精度测量解决剩余的不确定性。

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.

研究动机与目标

• 评估EMC实验出人意料地发现夸克仅携带质子自旋的一小部分后，当前对质子自旋结构的理解。
• 阐明不同自旋分解方法的物理意义及其实验可探测性，特别是Ji求和规则与Jaffe-Manohar求和规则。
• 评估基于格点QCD与大动量有效理论的第一性原理计算在确定夸克与胶子自旋及轨道角动量贡献方面的作用。
• 预测未来实验（尤其是JLab 12 GeV计划与电子-离子对撞机EIC）对解决质子自旋结构中未解问题的影响。

提出的方法

• 利用Ji求和规则，该规则通过广义部分子分布（GPDs）将质子自旋以帧无关的方式分解为夸克螺旋度、夸克轨道角动量（Lq）与胶子总角动量（Jg）。
• 在无限动量参考系中应用Jaffe-Manohar求和规则，将质子自旋分解为夸克与胶子螺旋度（ΔΣ/2，ΔG）及规范轨道角动量（ℓq，ℓg）。
• 结合大动量有效理论（LaMET）与格点QCD模拟，对ΔΣ、Lq、Jg与ΔG等自旋贡献进行第一性原理计算。
• 分析JLab 6 GeV与HERMES的实验数据，以提取夸克轨道角动量；分析RHIC自旋实验数据，以约束总胶子螺旋度ΔG。
• 预测电子-离子对撞机（EIC）通过硬硬散射过程（如J/ψ产生与弹性二喷注产生）测量ΔG、Jg与ℓg的灵敏度，实现高精度测量。
• 利用涉及Wigner分布与横动量依赖部分子分布的理论框架，将弹性过程中的自旋不对称性与规范胶子轨道角动量联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过帧无关与无限动量参考系中的求和规则，质子自旋在多大程度上可被分解为夸克与胶子的螺旋度及轨道角动量贡献？
• RQ2 夸克轨道角动量（Lq）对质子自旋的定量贡献是多少？如何从广义部分子分布（GPD）矩心中提取该贡献？
• RQ3 现有实验对总胶子螺旋度（ΔG）的约束程度如何？未来实验（如EIC）可实现多高的精度？
• RQ4 结合大动量有效理论的第一性原理格点QCD计算能否可靠预测质子各自旋分量？
• RQ5 电子-离子对撞机（EIC）将在多大程度上解决质子自旋求和规则中剩余的不确定性，特别是对胶子与轨道角动量贡献的不确定性？

主要发现

• JLab 6 GeV与HERMES实验为显著的夸克轨道角动量贡献（Lq）提供了证据，表明质子波函数中存在非平凡的空间与自旋关联。
• RHIC自旋实验首次对总胶子螺旋度（ΔG）提供了重要约束，表明其贡献非零但尚未精确测定。
• 利用大动量有效理论（LaMET）的格点QCD计算已获得ΔΣ、Lq、Jg与ΔG的第一性原理结果，为质子自旋结构提供了自洽的理论图像。
• 电子-离子对撞机（EIC）有望将ΔΣ与ΔG的不确定性降低数个数量级，为夸克与胶子螺旋度贡献提供最严格的约束。
• 通过自旋不对称性直接探测规范胶子轨道角动量（ℓg）的硬硬散射过程（如弹性二喷注产生与J/ψ产生）将在EIC中实现，从而完成自旋求和规则的完整分解。
• 将Wigner分布与轨道角动量联系的理论进展表明，未来EIC测量可实现对部分子的完整三维层析成像，包括自旋与空间关联。