Die drei Valenzquarks eines Protons tragen zu seinem Spin bei, aber auch die Gluonen, Seequarks und Antiquarks sowie der Bahndrehimpuls. Bildnachweis: APS / Alan Stonebraker.

Warum dreht sich das Proton? Die Physik hält eine überraschende Antwort bereit

Es ist verlockend, die Spins der Quarks zu addieren, aber damit stimmen die Experimente nicht überein!

„Wir müssen es eher als Zufall ansehen, dass die Erde (und vermutlich das gesamte Sonnensystem) ein Übergewicht an negativen Elektronen und positiven Protonen enthält. Es ist gut möglich, dass es bei einigen Stars umgekehrt ist. “-Paul Dirac

Sie können jedes Teilchen im Universum nehmen und es von allem anderen isolieren, doch es gibt einige Eigenschaften, die niemals weggenommen werden können. Dies sind intrinsische physikalische Eigenschaften des Partikels selbst - Eigenschaften wie Masse, Ladung oder Drehimpuls - und sind für jedes einzelne Partikel immer gleich. Einige Teilchen sind wie Elektronen von grundlegender Bedeutung, und ihre Masse, Ladung und ihr Drehimpuls sind ebenfalls von grundlegender Bedeutung. Aber andere Teilchen sind zusammengesetzte Teilchen, wie das Proton. Während die Ladung des Protons (von +1) auf die Summe der drei Quarks zurückzuführen ist, aus denen es besteht (zwei Up-Quarks von +2/3 und ein Down-Quark von -1/3), ist die Geschichte seines Drehimpulses viel komplizierter. Auch wenn es sich, genau wie das Elektron, um ein Spin = 1/2 -Partikel handelt, reicht es nicht aus, die Spins der drei Quarks, aus denen es besteht, zu addieren.

Man nahm anfangs an, dass die drei Valenzquarks im Proton, zwei hoch und eins runter, ihren Spin von 1/2 darstellen. Aber diese einfache Idee entsprach nicht den Experimenten. Bildnachweis: Arpad Horvath.

Es gibt zwei Dinge, die zum Drehimpuls beitragen: den Spin, der dem eigentlichen Drehimpuls eines jeden Grundpartikels entspricht, und den Umlaufdrehimpuls, den Sie von zwei oder mehr Grundpartikeln erhalten, aus denen ein zusammengesetztes Partikel besteht. (Lassen Sie sich nicht täuschen: Eigentlich drehen sich keine Teilchen physikalisch, aber „Spin“ ist der Name, den wir dieser Eigenschaft des intrinsischen Drehimpulses geben.) Ein Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, die zusammengehalten werden durch Gluonen: masselose, farbgeladene Teilchen, die die drei Quarks miteinander verbinden. Jeder Quark hat einen Spin von 1/2. Man könnte also einfach denken, dass man den Spin des Protons erhält, wenn man sich in die entgegengesetzte Richtung dreht wie die beiden anderen. Bis in die 1980er Jahre galt genau das als Standardbegründung.

Die Protonenstruktur, die zusammen mit den zugehörigen Feldern modelliert wurde, zeigt, dass die drei Valenzquarks allein nicht für den Spin des Protons verantwortlich sind, sondern nur für einen Bruchteil davon. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Wenn sich zwei Up-Quarks - zwei identische Partikel - im Grundzustand befinden, würde man erwarten, dass das Pauli-Ausschlussprinzip verhindert, dass diese beiden identischen Partikel denselben Zustand einnehmen -1/2. Aus diesem Grund würden Sie mit diesem dritten Quark (dem Down-Quark) einen Gesamtspin von 1/2 erzielen. Aber dann kamen die Experimente und es gab eine große Überraschung: Als Sie hochenergetische Teilchen in das Proton zerschmetterten, trugen die drei Quarks im Inneren (oben, oben und unten) nur etwa 30% zum Spin des Protons bei.

Die innere Struktur eines Protons mit Quarks, Gluonen und Quark-Spin. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Es gibt drei gute Gründe, warum sich diese drei Komponenten möglicherweise nicht so einfach summieren.

  1. Die Quarks sind nicht frei, sondern in einer kleinen Struktur miteinander verbunden: dem Proton. Das Beschränken eines Objekts kann seinen Spin verschieben, und alle drei Quarks sind stark beschränkt.
  2. Es gibt Gluonen im Inneren und Gluonen drehen sich auch. Der Gluon-Spin kann den Quark-Spin über die gesamte Spanne des Protons hinweg effektiv "screenen" und so seine Auswirkungen verringern.
  3. Und schließlich gibt es Quanteneffekte, die die Quarks delokalisieren und verhindern, dass sie sich wie Teilchen an genau einer Stelle befinden und eine wellenartigere Analyse erfordern. Diese Effekte können auch den Gesamtspin des Protons verringern oder verändern.

Mit anderen Worten, die fehlenden 70% sind real.

Mit besseren Experimenten und theoretischen Berechnungen wurde unser Verständnis des Protons verfeinert, wobei Gluonen, Seequarks und Orbitalwechselwirkungen ins Spiel kamen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Man könnte meinen, dass dies nur die drei Valenzquarks waren und dass die Quantenmechanik aus dem Gluonenfeld spontan Quark / Antiquark-Paare erzeugen könnte. Dieser Teil ist wahr und leistet wichtige Beiträge zur Masse des Protons. Was den Drehimpuls des Protons angeht, sind diese "Seequarks" vernachlässigbar.

Die Fermionen (Quarks und Gluonen), Antifermionen (Antiquarks und Antileptonen), alle Spin = 1/2, und die Bosonen (von ganzzahligem Spin) des Standardmodells, alle zusammen gezeigt. Bildnachweis: E. Siegel.

Vielleicht würden die Gluonen dann einen wichtigen Beitrag leisten? Schließlich ist das Standardmodell der Elementarteilchen voll von Fermionen (Quarks und Leptonen), die alle spin = 1/2 sind, und Bosonen wie das Photon, das W-and-Z und die Gluonen, die alle spin = sind 1. (Auch gibt es die Higgs von Spin = 0, und wenn die Quantengravitation real ist, die Gravitation von Spin = 2.) Wenn man alle Gluonen im Proton berücksichtigt, sind sie vielleicht auch wichtig?

Indem Teilchen in einem hochentwickelten Detektor wie dem PHENIX-Detektor von Brookhaven am RHIC bei hohen Energien zusammenstoßen, sind sie führend bei der Messung der Spinbeiträge von Gluonen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu testen: experimentell und theoretisch. Aus experimenteller Sicht können Sie Partikel tief im Proton kollidieren lassen und messen, wie die Gluonen reagieren. Es wird festgestellt, dass die Gluonen, die am meisten zum Gesamtimpuls des Protons beitragen, wesentlich zum Drehimpuls des Protons beitragen: etwa 40% bei einer Unsicherheit von ± 10%. Mit besseren Versuchsaufbauten (für die ein neuer Elektronen / Ionen-Kollider erforderlich wäre) könnten wir auf Gluonen mit niedrigerem Impuls untersuchen und dabei noch genauere Ergebnisse erzielen.

Wenn zwei Protonen kollidieren, können nicht nur die Quarks, aus denen sie bestehen, kollidieren, sondern auch die Seequarks, Gluonen und darüber hinaus Feldwechselwirkungen. Alle können Einblicke in den Spin der einzelnen Komponenten geben. Bildnachweis: CERN / CMS Collaboration.

Aber auch die theoretischen Berechnungen spielen eine Rolle! Eine als Lattice QCD bekannte Berechnungstechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert, da die Leistung von Supercomputern exponentiell zugenommen hat. Lattice QCD hat jetzt den Punkt erreicht, an dem es vorhersagen kann, dass der Gluon-Beitrag zum Spin des Protons 50% beträgt, ebenfalls mit einigen Prozent Unsicherheit. Das Bemerkenswerteste ist, dass die Berechnungen zeigen, dass mit diesem Beitrag das Gluon-Screening des Quark-Spins unwirksam ist. Die Quarks müssen von einem anderen Effekt abgeschirmt werden.

Da sich die Rechenleistung und die Gitter-QCD-Techniken im Laufe der Zeit verbessert haben, hat sich auch die Genauigkeit verbessert, mit der verschiedene Größen über das Proton berechnet werden können, wie z. B. seine Komponenten-Spin-Beiträge. Bildnachweis: Laboratoire de Physique de Clermont / ETM Collaboration.

Die restlichen 20% müssen aus dem Bahndrehimpuls stammen, in dem Gluonen und sogar virtuelle Pionen die drei Quarks umgeben, da die „Seequarks“ sowohl experimentell als auch theoretisch einen vernachlässigbaren Beitrag leisten.

Ein Proton besteht vollständiger aus spinnenden Valenzquarks, Seequarks und Antiquarks, spinnenden Gluonen, die sich gegenseitig umkreisen. Von dort kommen ihre Spins. Bildnachweis: Zhong-Bo Kang, 2012, RIKEN, Japan.

Es ist bemerkenswert und faszinierend, dass Theorie und Experiment übereinstimmen, aber das Unglaublichste ist die Tatsache, dass die einfachste Erklärung für den Spin des Protons - einfach die Addition der drei Quarks - die richtige Antwort aus dem falschen Grund liefert! Da 70% des Protonenspins von Gluonen und Orbitalwechselwirkungen stammen und Experimente und Lattice-QCD-Berechnungen sich Hand in Hand verbessern, können wir endlich genau feststellen, warum das Proton mit dem exakten Wert „spinnt“, den es hat.

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