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STAR实验新结果揭示核子内部自旋结构新特征
2019-03-15 13:04:50 作者: 来源: 浏览次数:

-首次发现海夸克自旋分布存在味道不对称


最近位于美国布鲁克海文国家实验的RHICSTAR国际实验组在Physical Review D上以快速通讯发表了目前最精确的W玻色子单自旋不对称的实验结果(Phys. Rev. D99,051102,2019)。新的实验结果将帮助澄清一个困扰粒子物理领域多年的基本问题:质子的自旋是如何由组成它的夸克和胶子来携带的?发表的新结果首次清晰揭示:质子内众多的海夸克因为味道不同,而对质子自旋的贡献差异明显,并且这种味道不对称和此前实验上已发现的海夸克数密度分布的味道对称破缺相反。

我院徐庆华教授的课题组自2013年开始进行这一课题的研究,指导的博士生张金龙的学位论文就是该研究的主体部分。实验的初步结果首次由张金龙在20169月的第26届国际核物理大会上发布。张金龙博士毕业后先后在美国劳伦斯伯克利国家实验室和纽约石溪大学做博士后研究。对本次实验发现有重要贡献的还有美国劳伦斯伯克利国家实验室和天普大学等合作单位。这一重要的实验研究经过多次检验和完善后的最终正式发表,标志着RHIC经过近20年的努力圆满完成了关于海夸克自旋分布的物理课题并取得重要结果。

关于基本粒子结构的标准模型告诉我们,质子是由通过强相互作用力束缚在一起的两个上夸克、一个下夸克共三个价夸克,以及数量众多的海夸克和胶子组成的,夸克和胶子也被称为部分子。在过去30多年里,核子的自旋(1/2)是如何由这些部分子来携带的这一基本问题一直困扰着粒子物理学界,世界上先后有美国、欧洲等多个大型的自旋极化粒子加速器和实验组来研究这一问题,此前的实验结果告诉我们所有夸克的自旋只携带核子自旋的13左右。精确测定核子内不同味道的夸克特别是数量众多的海夸克和胶子对核子自旋的贡献, 是目前正在美国布鲁克海文国家实验室运行的的RHIC相对论重离子对撞机的一个主要物理目标。RHIC是世界上唯一运行的极化质子-质子对撞机,可以直接探测海夸克的自旋分布。

RHIC对撞机专门为此于2011-2013年运行 500GeV(兆电子伏特)能量下自旋极化的质子-质子对撞,本次实验结果就是基于STAR实验组于2013年获取的目前世界上最高统计量的相关实验数据。在实验中,STAR实验组测量了质子-质子碰撞中W玻色子产生对入射质子自旋的依赖。W玻色子在这些碰撞中由一个夸克和一个反夸克通过弱作用产生。在碰撞中夸克的味道可以通过W玻色子的电荷决定。通过比较入射质子沿着运动方向和逆着运动方向极化两种情况下W玻色子产生数目的不同,科学家可以获得质子内部海夸克携带质子自旋的直接信息。弱相互作用过程中镜像对称的破缺是这一物理机制的基础。

STAR的实验结果清晰显示不同自旋极化的质子碰撞产生的W玻色子数目有显著不对称,新实验数据首次清晰揭示:质子内反上夸克(anti-up quark)是正向极化的,而反下夸克(anti-down quark)是负向极化的,从而出现味道对称的破缺。而此前实验上已经发现,核子内反下夸克的数目要多于反上夸克的数目,因此与之相反的味道对称破缺在自旋极化情形下的发现,就更令人感到惊讶。是什么物理机制导致这种相反的对称破缺?对该问题的研究将极大丰富人们对核子内部深层次结构的认识, 新的实验结果将激发核子结构这一基本科学问题的深入研究。

STAR实验是位于美国布鲁克海文国家实验室的RHIC相对论重离子对撞机上的大型国际合作实验组,由14个国家的600多位研究人员组成。山东大学STAR实验组于2008年组建,质子的自旋结构一直是该课题组重点研究内容之一,先后获得国家自然科学优秀青年基金、重点国际合作、国家重点研发计划子课题等项目资助。

论文链接:https://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.99.051102

布鲁克海文国家实验室新闻链接:https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=114331

劳伦斯国家实验室新闻链接:https://newscenter.lbl.gov/2019/03/14/sea-quark-surprise-reveals-deeper-complexity-in-proton-spin-puzzle/


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