[论文解读] The Strange Spin of the Nucleon

John Ellis, Marek Karliner|ArXiv.org|Jan 16, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 14

一句话总结

本文研究了由EMC实验揭示的质子自旋危机，该实验发现仅一小部分质子自旋由夸克自旋携带，这与朴素部分子模型相矛盾。文章探讨了QCD修正、手征子(soliton)模型、轴向U(1)反常效应，以及核子波函数中奇异夸克组分的实验证据，同时将极化结构函数与轴子等冷暗物质粒子及最轻超对称粒子(LSP)的搜寻联系起来。

ABSTRACT

The recent series of experiments on polarized lepton-nucleon scattering have provided a strange new twist in the story of the nucleon, some of whose aspects are reviewed in these lectures. In the first lecture, we review some issues arising in the analysis of the data on polarized structure functions, focusing in particular on the importance and treatment of high-order QCD perturbation theory. In the second lecture some possible interpretations of the ``EMC spin effect" are reviewed, principally in the chiral soliton (Skyrmion) approach, but also interpretations related to the axial $U(1)$ anomaly. This lecture also discusses other indications from recent LEAR data for an $\bar{s} s$ component in the nucleon wave function, and discusses test of a model for this component. Finally, the third lecture reviews the implications of polarized structure functions measurements for experiments to search for cold dark matter particles, such as the lightest supersymmetric particle and the axion, after reviewing briefly the astrophysical and cosmological evidence for cold dark matter.

研究动机与目标

• 理解质子总自旋与夸克自旋贡献之间差异的根源，即所谓的‘自旋危机’。
• 考察高阶QCD微扰理论在解释极化结构函数数据中的作用。
• 探索理论模型——特别是手征子(Skyrmion)方法和轴向U(1)反常——对解释EMC效应的潜力。
• 评估来自LEAR及其他数据的实验证据，以判断核子波函数中奇异夸克组分(ss̄)的存在。
• 将极化结构函数的测量与轴子和最轻超对称粒子(LSP)等冷暗物质候选者的搜寻联系起来。

提出的方法

• 使用部分子模型，将极化结构函数g₁(x, Q²)与夸克分布函数∆q(x)和∆q̄(x)关联起来。
• 应用Bjorken求和规则，引入至αs²阶的微扰QCD修正，将质子-中子自旋不对称性与强耦合常数αs(Q²)联系起来。
• 采用轴流矩阵元形式，将g₁表示为∆q = ∫dx [q↑(x) − q↓(x) + q̄↑(x) − q̄↓(x)]。
• 利用关系式Γ₁^p(Q²) = ∫₀¹ g₁^p(x, Q²)dx分析EMC数据，并与假设∆s = 0的预测进行比较。
• 评估手征子模型和轴向U(1)反常作为解释观测到的自旋结构的可能机制。
• 综述极化深度非弹性散射实验对暗物质探测的启示，特别是对轴子样粒子的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何EMC实验在⟨Q²⟩ = 10.7 GeV²时测得质子自旋结构函数积分值为0.126 ± 0.025，显著低于朴素部分子模型预测的0.17 ± 0.01？
• RQ2 奇异夸克极化∆s在解决质子自旋危机中的作用是什么？其数值如何通过实验约束？
• RQ3 QCD修正与高阶 twist 效应对Bjorken求和规则及g₁(x, Q²)数据解释有何影响？
• RQ4 手征子(Skyrmion)模型或轴向U(1)反常能否为EMC效应及∆s的微小性提供合理解释？
• RQ5 极化结构函数测量对探测轴子和最轻超对称粒子(LSP)等冷暗物质粒子有何启示？

主要发现

• EMC实验在⟨Q²⟩ = 10.7 GeV²时测得Γ₁^p(Q²) = 0.126 ± 0.010（系统误差）± 0.015（统计误差），表明与朴素部分子模型预测的0.17 ± 0.01存在显著偏差。
• 经过微扰QCD修正的Bjorken求和规则为QCD提供了基本检验，质子-中子自旋不对称性给出αs(Q²) ≈ 0.3（当Q² = 10.7 GeV²时）。
• 数据表明奇异夸克极化非零，νp和̄νp弹性散射测得∆s = −0.15 ± 0.09，尽管在EMC结果之前这一结论未被广泛认可。
• 手征子模型和轴向U(1)反常提供了可解释∆s微小性与EMC效应的理论框架。
• 极化结构函数测量对轴子样粒子和最轻超对称粒子(LSP)敏感，为探测冷暗物质提供了潜在窗口。
• 高阶 twist 修正及超越一阶的QCD修正对于从实验数据中准确提取∆q和∆s至关重要。