直接光子指向胶子的正极化

对来自相对论重离子对撞机（RHIC）的PHENIX探测器的数据进行的一项新的分析，为胶子如何对质子自旋作出贡献提供了新的见解。资料来源：布鲁克海文国家实验室

相对论重离子对撞机（RHIC）的PHENIX合作小组的一份新出版物提供了明确的证据，即胶子的 "旋转 "与它们所在的质子的旋转方向一致。刚刚发表在《物理评论快报》上的这一结果为理论家们提供了计算胶子--将质子和中子内的夸克固定在一起的胶状粒子--对质子的自旋有多大贡献的新输入。

自1987年以来，胶子是否对质子自旋--一种与质子的光学、磁学和其他特性有关的内在角动量--有多大贡献，一直是一个悬而未决的问题。那是当欧洲核子研究中心实验室的一项实验显示，夸克，即质子和中子的其他组成部分，不能解释质子的总自旋值。

"我参与了欧洲核子研究中心的实验，该实验确定夸克没有携带太多的自旋。石溪大学（SBU）和美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的物理学家Abhay Deshpande说："那是一个很大的惊喜；它点燃了'自旋危机'，RHIC作为DOE科学办公室的用户设施为来自世界各地的核物理学家运作。"显然，剩余的旋转必须来自其他地方。因此，当时有想法认为胶子可能携带剩余的自旋。"

寻找答案的努力转向了布鲁克海文实验室，那里的RHIC正在形成，以探索与夸克和胶子在早期宇宙中的存在方式有关的另一套物理学问题。但是自旋之谜吸引了一组全新的合作者，以及日本理化学研究所的重大贡献，以扩大RHIC的能力。这包括专门的加速器部件，使RHIC能够对准和 "翻转 "质子的自旋（使其成为世界上唯一的极化质子对撞机），以及在PHENIX实验中进行关键自旋测量的额外设备，这是RHIC的首批粒子探测器之一。

"在RHIC项目开始时，我们觉得这是我们必须要去的地方，"理化学研究所的物理学家和在RHIC进行偏振质子加速的第一个提案的发言人之一Hideto En'yo说。"当我们意识到RHIC是可偏振的时候，我们非常兴奋，这使我们能够解决胶子在质子自旋危机中的作用。"

布鲁克海文实验室接受了增加加速器和探测器的建议，理化所也提供了资金。

"此外，由于这不仅仅是参与一个实验，理化学研究所决定建立理化学研究所--民族解放力量研究中心（RBRC），作为理化学研究所在布鲁克海文实验室的前沿基地和研究这些问题所需的实验人员和理论人员的家，"En'yo说。

黄金测量
新的PHENIX结果是作为RHIC自旋物理学计划的关键动力而提出的 "黄金 "测量之一。它是对RHIC将自旋指向相反方向的质子（或相互碰撞或远离）与两束质子指向同一方向（头尾相撞）时产生的直接光子数量的比较。

由于与夸克和胶子相互作用发射光子的方式有关的原因（并且知道夸克净旋转与质子自旋正向排列），看到一个差异将表明胶子的旋转也被排列，或偏振，而且重要的是，在哪个方向。也就是说，产生更多直接光子的碰撞条件将告诉他们胶子的自旋排列是否是正的--指向与质子自旋相同的方向并对该值有贡献--或者是负的（指向相反的方向并抵消夸克对自旋的贡献）。

"布鲁克海文实验室物理学家Alexander (Sasha) Bazilevsky说："这是一个非常干净和简单的解释结果，PHENIX合作组织的副发言人。"他说："直接光子的美妙之处在于，它们在RHIC的产生是由夸克-胶子相互作用主导的。换句话说，这些光粒子直接来自一个质子束中的夸克与另一个质子的相互作用，而不是来自碰撞中产生的其他粒子的衰变。

"而且，当一个光子被创造出来时，由于它不携带任何颜色的电荷[驱动夸克和胶子之间强力相互作用的电荷形式]，它不会与周围的核物质相互作用，"Deshpande说。"这就是使它成为一个如此干净的测量的原因。"

但是，尽管这种表面上的简单性，"它在实验上是很难测量的，"Bazilevsky说。

直接光子（γ）是在一个质子中的夸克与另一个质子中的胶子相互作用时发出的。通过比较在质子自旋指向相反方向的碰撞中所发射的直接光子的数量（如图所示）和当一个质子自旋被翻转从而使两者指向同一方向时所发射的数量，科学家们可以确定胶子自旋是与质子自旋方向一致还是相反。资料来源：布鲁克海文国家实验室

数字游戏
造成这种困难的一个原因是，在RHIC碰撞中会有很多其他的光子流出来。找到那些直接来自夸克-胶子相互作用的光子需要一个系统的消除过程。

"理化学研究所西那加速器科学中心的物理学家、PHENIX合作组织的发言人、RBRC的实验组组长秋叶康之说："没有其他实验或探测器可以进行这种测量。"他解释说："但是，由于PHENIX拥有有史以来为对撞机实验建造的最精细的电磁量热仪（EMCal），它提供了从来自其他来源的光子中分离出直接光子所需的能力。

例如，如果在探测器中拾取的一个光子被其他粒子包围，它可能来自碰撞后发生的辐射过程--因此这些光子不是直接的。同样，如果一对光子的能量和角度可以被重建为来自于母粒子的衰变--比如说，π-零介子--那么这些光子也不是直接光子。在所有的排除法之后，没有其他明显来源的光子被认为是来自于夸克胶子散射事件。

为了在过滤掉其他产生光子的过程后留下足够的直接光子进行适当的统计分析，科学家们还需要非常多的碰撞，或者说是光亮度。当RHIC在21世纪初首次开始碰撞偏振质子时，它并没有这样的数字。

"罗伯特-贝内特（现在是华盛顿特区的一名数据科学家）是我的学生中第一个在2000年代末开始研究这个问题的人，使用的是最初由RBRC和RIKEN的冈田健介开发的分析方法，"德什潘德说。"该方法是有效的，我们得到了初步的结果，但我们没有足够的统计数据来进行发表。"

同时PHENIX和STAR，RHIC的另一个大型探测器，进行了与胶子自旋有关的其他测量。STAR对粒子射流的分析和PHENIX对π零介子的分析表明，胶子确实是偏振的。"Bazilevsky说："这是一个重大发现。

但是这些测量无法可靠地揭示胶子的自旋排列方向--它是沿着质子极化的方向还是与之相反。此外，由于在这些测量中跟踪的粒子确实通过交换颜色电荷进行互动，它们的信号并不像预期的直接光子测量那样干净。

幸运的是，那些试图将RHIC推向更高水平的实验和加速器物理学家群体坚持了下来。

"许多科学家--包括日本理化学研究所、RBRC以及布鲁克海文实验室物理系的Gerry Bunce和C-AD的Yousef Makdisi--帮助推动了该项目，"Deshpande说。"萨沙和我是作为年轻科学家/RBRC研究员进来的，而他们是在各方面指导我们的前辈。"

"而托马斯-罗瑟[一位加速器物理学家，后来成为对撞机-加速器部门（C-AD）的主席]是自旋项目的一个重要推动者，"他补充说。"他明白这有多困难。但他也明白，这个挑战是令人兴奋的，新的科学家将来到这里接受挑战--他们的努力将为整个RHIC项目改善对撞机。"

投资得到了回报。到2013年，RHIC的偏振质子和重离子对撞的亮度远远超过了其最初设计的极限。加速器物理学的创新进展将质子束的极化程度推向了近60%。

专门的学生和经验
还需要一个因素：一个愿意承担复杂分析工作的学生。

"Deshpande说："当RHIC的光度和极化问题出现时，季中玲在2015年作为石溪大学的研究生加入了我的小组，他明白这个问题有多难，所以他仍然跳进去并坚持了下来。

这项分析在钟灵的研究生生涯中取得了进展，由于COVID-19大流行病带来的延误，比一般的博士生的工作时间长了一些。

"如前所述，这项分析的主要障碍之一是有效地去除相当多的光子背景，这些光子来自RHIC对撞中产生的其他粒子的衰变，"现在加州大学洛杉矶分校的博士后学者Ji说。"我们的分析建立在Okada和Bennett的工作基础上，以及Sasha和Sanghwa Park在石溪大学做博士后时的贡献（现在是托马斯-杰弗逊国家加速器设施的物理学家）。他们大量参与了分析工作。在重建由其他粒子衰变产生的光子不可行的情况下，我们转而依靠专门的模拟来确定这些发生的频率，并仔细地从数据中删除它们。这使我们能够在足够多的直接光子上归零，以进行统计学上有效的分析。"

为了研究胶子对自旋的贡献，科学家们比较了两种不同类型的纵向极化质子-质子碰撞所发射的直接光子的数量： 一种是质子自旋指向相反的方向（在这种情况下，相互碰撞，顶部），另一种是两个质子自旋指向同一方向，头尾相撞（底部）。更多的直接光子从对立排列的质子的碰撞中出现，揭示出胶子的自旋确实与它们所在的质子的方向一致。资料来源：布鲁克海文国家实验室

发表在PRL上的结果是基于2013年收集的数据，这是在RHIC的PHENIX探测器仍在收集数据时运行高能纵向偏振质子的最后一年。(PHENIX在2016年关闭，为RHIC的全新探测器sPHENIX让路）。所分析的数据对应于大约5.4万亿次质子-质子碰撞。

"最终，五个学生花了15年的时间来完成这项分析，"Deshpande说，他赞扬了Zhongling的奉献精神，但也承认通过这些早期的努力获得的经验。"所有这些学生所做的一切都在朝着这个方向发展。这都是重要的工作。"

研究结果和未来
PHENIX的结果显示了直接光子产量的明显差异，更高的产量来自于质子自旋指向相反方向（彼此相向或相离）的碰撞。这清楚地证明，胶子的自旋与质子的自旋方向一致，并对质子的整体自旋值做出了重要贡献。新的分析现在将为理论家的计算提供输入，以确定这到底是多大的贡献。

这是否最终解决了质子自旋之谜？科学家们说，不完全是。

对质子自旋的最终贡献可能是这些复合粒子中夸克和胶子的轨道运动。这些细节在纵向极化质子的碰撞中是无法接触到的。

在RHIC进行的质子与它们的自旋指向 "上 "或横向的碰撞，已经显示出胶子轨道运动的暗示。但是轨道运动的精确测量将不得不等待电子-离子对撞机的启用，这是一个用于核物理研究的新设施，将通过重新利用RHIC的大部分基础设施来建造。

EIC将使用偏振电子-质子对撞来更精确地测量胶子的自旋贡献。这些EIC实验将以一种互补的方式大大改进在RHIC已经实现的测量。此外，虽然RHIC提供了接触最高 "动量分数 "胶子（那些携带整个质子动量很大一部分的胶子）的极好机会，但EIC将使科学家接触到低动量分数的胶子。虽然这些 "低x "胶子每个都携带整个质子动量的一小部分，但由于它们的相对丰度，它们可能对质子自旋做出巨大的贡献。

巴兹列夫斯基指出EIC将如何把自旋之谜完整地呈现出来："自旋危机始于欧洲核子研究中心对质子（电子的表亲）碰撞的深度非弹性散射实验，该实验表明仅靠夸克是无法解释自旋的。然后RHIC的质子-质子实验揭示了很多关于胶子的情况。现在我们将回到EIC的电子-质子对撞，以更高的对撞率和两束偏振，最终解决这个难题。"

参考资料

Measurement of direct-photon cross section and double-helicity asymmetry at √ s = 510 GeV in → p + → p collisions, Physical Review Letters (2023). journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.130.251901