格点QCD揭示质子内部的横向力分布

质子作为原子核的基本组成部分，对于我们理解亚原子水平上的宇宙至关重要。质子由夸克组成，夸克之间由胶子介导的强相互作用力连接在一起。为了理解质子的内部动力学和结构，科学家们采用了各种理论和实验技术。其中一种方法是格点量子色动力学（QCD），这是一种研究夸克和胶子在非微扰状态下的性质和行为的强大工具。最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文，通过格点QCD研究了质子的横向力分布。

质子的结构和横向力分布的需求

质子不是基本粒子，表现出复杂的内部结构。根据QCD，质子由三个价夸克（两个上夸克和一个下夸克）以及动态的海夸克和胶子海组成，后者充当它们之间强力的载体。这些成分不断相互作用，导致质子内部形成复杂而动态的结构。为了理解质子的结构，必须了解其成分的空间和动量分布，以及这些成分之间的力。

横向力分布为了解强力在质子内部的空间分布提供了独特的视角。它们告诉我们力是如何在质子的横向平面内分布在夸克和胶子上的。横向力分布是在广义部分子分布 (GPDs) 的框架内定义的，后者取决于部分子动量和质子的动量转移。特别是，GPDs的二阶矩与横向力分布有关。

横向力分布提供了关于质子内部压力和剪切力的宝贵信息。它们为理解质子内部强力的空间分布提供了一种工具，这可以为了解质子的稳定性和性质提供见解。此外，横向力分布还可以提供关于质子的性质的信息，例如其质量和自旋。

格点QCD：一种非微扰方法

量子色动力学 (QCD) 是强力的理论，它描述了夸克和胶子之间的基本相互作用。然而，QCD的非微扰性质使得在低能状态下研究其行为具有挑战性，在低能状态下，传统的微扰理论不再适用。而这正是格点QCD作为一种强大工具发挥作用的地方。

格点QCD是一种通过将时空离散到离散格点上，从而以非微扰方式求解 QCD 的数值方法。这种方法基于QCD路径积分形式，这使得我们能够通过数值模拟来计算物理量。格点QCD为研究QCD的非微扰行为提供了一种第一性原理方法，从而可以计算强子谱、衰变常数和部分子分布等量。

格点QCD 彻底改变了强子物理学领域，使得对强力的非微扰方面的前所未有的洞察成为可能。它已成为研究质子结构（包括横向力分布的计算）的必要工具。

格点QCD中的最新发现

在这一领域，一项重要的研究是由J.A. Crawford等人撰写的题为《Transverse Force Distributions in the Proton from Lattice QCD》的论文。作者利用格点QCD计算确定了质子内部作用于夸克上的色荷-洛伦兹力的空间分布。研究重点是色荷-洛伦兹力，这种力由于夸克与胶子场的相互作用而产生。

研究人员的计算确定了一个自旋无关的束缚力以及自旋相关的力分布，这些局部力的量级约为3 GeV/fm。这种力的分布对于理解深度非弹性散射实验中观察到的Sivers不对称性非常重要。Sivers不对称性指的是核子的横向自旋与散射夸克的横向动量之间的关联，提供了关于质子内部结构的宝贵信息。

意义和重要性

格点QCD计算的发现对我们理解质子结构具有深远的意义。横向力的空间分布为其他可观测量提供了补充视角。这些分布对于建立质子内部动力学的全面图景至关重要。

此外，横向力的研究可以阐明在高能散射过程中单自旋不对称性的起源。通过了解产生这些不对称性的基本机制，科学家可以更深入地了解质子内夸克和胶子的行为，可能导致粒子物理学的新发现。