Физики разобрались со спином протона

Компьютерное моделирование указало, что спин протона примерно на 50% обусловлен вкладом спинов глюонов, которые связывают кварки. Своим исследованием американские ученые собираются поставить точку в одном из важных нерешенных вопросов физики частиц. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Спин — одна из внутренних квантовых характеристик частиц и систем из них. Спин отвечает многим фундаментальным свойствам частиц: в случае протона (спин которого равен 1/2), например, за его магнитный момент и низкотемпературные фазы вещества. В квантовой хромодинамике (теории сильных взаимодействий, в которых участвуют кварки и глюоны), протон описывается как три валентных кварка, находящихся ближе к центру, море виртуальных кварк-антикварковых пар и глюонов, окруженных облаком виртуальных пионов (легкими связанными состояниями кварка и антикварка). Все эти частицы находятся в релятивистском движении, обладают орбитальным моментом и вносят вклад в суммарный спин протона.

В экспериментах на ускорителях было обнаружено, что вклад кварков в спин протона (30%) полностью обеспечивается реальными частицами с минимальной долей вклада от виртуальных. Это объясняется несколькими причинами: нахождение релятивистской частицы в ограничивающей полости ставит предел на вклад ее спина, спины глюонов могут экранировать спин кварков посредством эффекта под названием аксиальная аномалия, топологические эффекты могут делокализовать спин кварков внутри протона, так что он будет частично ненаблюдаем при рассеяниях на отдельных и локализованных кварках.

Предметом рассмотрения авторов работы стал спин глюонов, что может внести ясность как во вклад глюонов в спин протона, так и в величину аксиальной аномалии. Американская группа использовала новый подход к расчетам квантовой теории поля на пространственно-временной решетке. Они обнаружили, что вклад глюонов составляет 0,25 ± 0,05, то есть примерно половину от спина протона. Тем не менее полученная величина означает, что спины глюонов не могут играть существенной роли в экранировании вклада спинов кварков посредством аксиальной аномалии.