质子的“自旋拼图危机”快有解了，原来自旋背后的机制如此复杂

质子的旋转角动量，被称为自旋。但亚原子粒子自旋的起源使物理学家感到非常困惑，20世纪90年代发现的“质子自旋危机”是到目前为止仍然未能完全解决的谜题，不过科学进展已经将这块谜之拼图拼上了大部分。

质子自旋危机

质子自旋危机（有时被称为“质子自旋拼图问题”）是通过1987年的实验发现的理论问题，这个实验试图确定质子的自旋结构。该实验由欧洲μ介子合作机构（EMC）进行。物理学家们预计夸克自旋的总和构成了质子的自旋。然而，不仅夸克携带的总自旋远小于质子的自旋，结果反而显示夸克对于质子自旋的贡献几乎为零。这令人惊讶且费解的结果被称为“质子自旋危机”。这个问题曾被认为是物理学中一个重要的未决问题。

物理学家经常将自旋解释为粒子的旋转，但这种描述并不确切。实际上，自旋是量子量，不能用经典术语来描述。正如质子不是一块微小的石球，而是一连串的幻影粒子不断出现和消失形成的总体，它的旋转是一个复杂的概率属性，其值总是固定等于1/2。

夸克也有1/2的自旋。物理学家最初假设质子的三个夸克中的两个总是在相反的方向旋转，相互抵消，剩下的一半作为质子的总自旋，不过科学家们发现这不过是多年前的天真想法。80年代末，有研究者首次测量了夸克自旋对质子自旋的贡献，发现其贡献居然为0％！这非常让人吃惊。后来的测量结果实际上表明夸克可以贡献高达质子总自旋量的25％，但剩下的大部分自旋却仍然下落不明。

胶子对质子自旋的贡献

胶子也作为强核力的代表存在于质子内部（胶子是夸克间传递强力的媒介），通过胶子的交换，强力成为了将夸克结合在一起的基本相互作用。胶子自旋为1，其累加取决于自旋的方向，累加的结果应该会贡献于质子的总自旋。然而，衡量胶子的自旋贡献是一项棘手的任务。“相对论性重离子对撞机”（或RHIC）是唯一可以解决这个问题的实验，因为它是唯一能够使“自旋极化”质子发生碰撞的粒子加速器，这意味着粒子在碰撞时都会朝某个方向旋转。虽然瑞士的大型强子对撞机更强大，但粒子的自旋无法对齐（意思是无法有相同的自旋）。

自旋极化质子对撞实验示意

当两个质子相撞时，它们的相互作用受到强力的控制，因此胶子会密切参与这个过程。如果胶子自旋是质子自旋的构成部分，那么碰撞质子自旋的方向应该会影响结果。科学家们预期两个自旋对齐的质子发生碰撞的频率会与自旋相反的质子碰撞的频率会有所不同。根据RHIC的最新数据，这种差异确实存在。研究团队计算出胶子可能贡献了夸克对质子自旋贡献的一半左右。实验数据还首次表明胶子的极化实际上是非零的（极化应该是指自旋轴的手性，或者简单地说就是自旋的方向）。虽然胶子似乎贡献了质子的自旋的一部分，但研究者们认为这种结论的不确定性非常大。

研究者们猜测，如果胶子自旋不能提供质子缺失自旋量的平衡，那么其余的自旋则可能来自夸克和胶子在质子内部聚集的轨道角动量。就像地球在自己的轴上旋转以及围绕太阳运行一样，夸克和胶子也有自己的内部角动量，以及围绕质子中心运动产生的角动量。但这仅仅是猜测。

质子的自旋危机，反夸克也插了一脚

现在（2019年），科学家们已经证实，质子的一些旋转来自于质子的下层结构——夸克及其反物质伙伴反夸克所构成的“海洋”。

质子自旋机制理论的变迁

令人惊讶的是，科学家们发现一种较不常见的反夸克类型对质子旋转的贡献大于其它类型的夸克。

夸克有各种类型，其中最常见的是上夸克和下夸克。质子由三个主夸克组成：两个上夸克和一个下夸克。但质子也有一个由不同类型的瞬态夸克和反夸克构成的海洋，包括上反夸克，下反夸克和其他类型的夸克。

先前的测量表明，这个夸克海洋中的各种夸克的自旋为质子整体的自旋作出了明显的贡献。这些结论也是在“相对论性重离子对撞机”上通过质子碰撞而得出的。

质子的夸克海洋中含有的上反夸克比下反夸克更多。但是，与直觉相反的是，研究人员发现，更多的质子旋转来自上反夸克而非下反夸克。下反夸克的自旋与质子的自旋相反，相当于是抵消了质子的总自旋。

这个研究表明，质子的自旋远比想象的复杂。

总结

解决质子自旋危机不仅对于理解自旋至关重要，而且对于了解质子和许多其他粒子获得质量的方式至关重要。近年发现的希格斯玻色子通常被认为负责为所有其他粒子提供质量。这是事实，但并非全部真相。除了希格斯机制之外，另一个过程也可以使质子获得质量。这个过程与强力作用的约束有关——夸克和胶子总是被发现禁闭在其他粒子（如质子）中，而不是单独存在。约束的动力学影响着夸克和胶子的自旋极化。现代理论物理学中最突出的问题之一是理解色禁闭，我们越了解夸克和胶子的极化分布，我们就越接近对强作用约束的理解。