[论文解读] 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 2

一句话总结

该规范场论格点QCD研究首次在物理π介子质量（mπ ≈ 133 MeV）的规范组配下，给出了质子自旋分解的非微扰结果。通过计算轴矢量流与矢量流的连通与不连通收缩，获得了夸克形式因子，得出1⁄2∆Σ = 0.200(17)和Jq = 0.398(60)，而胶子角动量估计为Ag₂₀ = 0.321(25)，表明夸克轨道角动量具有显著作用，且由于不确定性，总自旋初步估计接近110%。

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.

研究动机与目标

• 使用物理π介子质量的格点QCD从第一原理计算质子自旋分解。
• 提取与夸克和胶子角动量相关的广义部分子分布（GPD）形式因子。
• 利用非微扰规范场组配检验Ji的质子自旋求和规则。
• 评估在提高统计精度和使用改进的抽样方法下，格点上计算胶子角动量的可行性。

提出的方法

• 使用欧洲扭结质量合作组织（ETMC）的规范组配，体积为L³×T = 48³×96，mπ ≈ 133 MeV。
• 通过局部轴矢量算符与一阶导数矢量算符的矩阵元，提取形式因子Aq₂₀(0)、Bq₂₀(0)与˜Aq₁₀(0)。
• 对上夸克、下夸克与奇异夸克采用连通与不连通的夸克收缩；胶子贡献通过胶子环收缩获得。
• 对胶子算符使用四维强壮抽样（ω = 0.1315），最多20步，以提高信号与噪声比。
• 所有形式因子采用非微扰重正化，混合系数通过一阶微扰理论计算。
• 从胶子能量-动量张量Oμν,gV = G{μρGρν}的矩阵元提取胶子形式因子Ag₂₀。

实验结果

研究问题

• RQ1 在物理π介子质量的格点QCD下，夸克自旋贡献（1⁄2∆Σ）对质子总自旋的贡献是多少？
• RQ2 上夸克、下夸克与奇异夸克对总夸克角动量Jq的个体贡献分别是多少？
• RQ3 夸克的轨道角动量Lq与其内禀自旋相比如何？
• RQ4 格点QCD对胶子角动量Jg的估计是多少？它如何从Ag₂₀形式因子中提取？
• RQ5 激发态污染与形式因子不完备性等系统性效应在多大程度上影响了总自旋求和？

主要发现

• 质子的夸克自旋贡献为1⁄2∆Σ = 0.200(17)，略高于现象学估计的0.13–0.18。
• 总夸克角动量为Jq = 0.398(60)，其中上夸克贡献Ju = 0.296(40)，下夸克贡献Jd = 0.058(40)，奇异夸克贡献Js = 0.046(20)。
• 夸克轨道角动量为Lq = 0.198(62)，表明其贡献显著，与夸克自旋相当。
• 胶子角动量估计为Ag₂₀ = 0.321(25)，对应⟨x⟩g ≈ 0.321，尽管Bg₂₀尚未计算。
• 从形式因子重构的总质子自旋约为110%（误差较大），提示可能存在系统性效应或遗漏贡献。
• 结果基于物理π介子质量组配获得，使质子自旋结构的第一性原理研究更具可靠性。