Die drei Valenzquarks eines Protons tragen zu seiner Drehung bei, aber auch die Gluonen, Seequarks und Antiquarks sowie der Drehimpuls der Umlaufbahn. Bildnachweis: APS / Alan Stonebraker.

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

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

„Wir müssen es eher als Zufall betrachten, dass die Erde (und vermutlich das gesamte Sonnensystem) überwiegend negative Elektronen und positive Protonen enthält. Es ist durchaus möglich, dass es für einige der Sterne umgekehrt ist. “ -Paul Dirac

Sie können jedes Teilchen im Universum nehmen und von allem anderen isolieren, aber es gibt einige Eigenschaften, die niemals weggenommen werden können. Dies sind intrinsische physikalische Eigenschaften des Partikels selbst - Eigenschaften wie Masse, Ladung oder Drehimpuls - und sie sind für jedes einzelne Partikel immer gleich. Einige Teilchen sind wie Elektronen grundlegend, und ihre Masse, Ladung und ihr Drehimpuls sind ebenfalls grundlegend. 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. Obwohl es sich genau wie das Elektron um ein Spin = 1/2 Teilchen handelt, reicht es nicht aus, nur die Spins der drei Quarks zu addieren, aus denen es besteht.

Die drei Valenzquarks im Proton, zwei nach oben und einer nach unten, wurden ursprünglich als Spin von 1/2 angesehen. Aber diese einfache Idee entsprach nicht den Experimenten. Bildnachweis: Arpad Horvath.

Es gibt zwei Dinge, die zum Drehimpuls beitragen: Spin, der intrinsische Drehimpuls, der einem fundamentalen Teilchen innewohnt, und orbitaler Drehimpuls, den Sie von zwei oder mehr fundamentalen Teilchen erhalten, aus denen ein zusammengesetztes Teilchen besteht. (Lassen Sie sich nicht täuschen: Keine Teilchen drehen sich tatsächlich physisch, aber „Spin“ ist der Name, den wir dieser Eigenschaft des intrinsischen Drehimpulses geben.) Ein Proton hat zwei Aufwärtsquarks und einen Abwärtsquark und sie werden zusammengehalten durch Gluonen: masselose, farbgeladene Teilchen, die die drei Quarks miteinander verbinden. Jeder Quark hat einen Spin von 1/2, also könnte man einfach denken, dass man den Spin des Protons bekommt, solange sich einer in die entgegengesetzte Richtung der beiden anderen dreht. Bis in die 1980er Jahre war genau das die Standard-Argumentation.

Die Struktur des Protons, die zusammen mit den zugehörigen Feldern modelliert wurde, zeigt, dass die drei Valenzquarks allein den Spin des Protons nicht erklären können und stattdessen nur einen Bruchteil davon ausmachen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

Mit zwei Up-Quarks - zwei identischen Partikeln - im Grundzustand würde man erwarten, dass das Pauli-Ausschlussprinzip verhindern würde, dass diese beiden identischen Partikel denselben Zustand einnehmen, und daher müsste eines +1/2 sein, während das andere war -1/2. Daher würden Sie argumentieren, dass dieser dritte Quark (der Down-Quark) Ihnen einen Gesamtspin von 1/2 geben würde. Aber dann kamen die Experimente und es gab eine ziemliche Überraschung: Als Sie energiereiche 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 Quarkspin. 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 Einschließen eines Objekts kann seine Drehung verschieben, und alle drei Quarks sind sehr eng.
  2. Es gibt Gluonen im Inneren und Gluonen drehen sich auch. Der Gluonenspin kann den Quarkspin effektiv über die Spanne des Protons „abschirmen“ und seine Auswirkungen verringern.
  3. Und schließlich gibt es Quanteneffekte, die die Quarks delokalisieren, verhindern, dass sie sich genau wie Partikel an einem Ort befinden und eine wellenförmigere Analyse erfordern. Diese Effekte können auch den Gesamtspin des Protons verringern oder verändern.

Mit anderen Worten, dass fehlende 70% real sind.

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

Vielleicht würden Sie denken, 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 (Integer 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-und-Z und die Gluonen, die alle Spin = sind 1. (Es gibt auch die Higgs von Spin = 0, und wenn die Quantengravitation real ist, das Graviton von Spin = 2.) Wenn alle Gluonen im Proton gegeben sind, sind sie vielleicht auch wichtig?

Durch die Kollision von Partikeln bei hohen Energien in einem hoch entwickelten Detektor wie dem PHENIX-Detektor von Brookhaven bei RHIC haben wir die Spinbeiträge von Gluonen gemessen. Bildnachweis: Brookhaven National Laboratory.

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

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

Aber auch die theoretischen Berechnungen sind wichtig! Eine als Lattice QCD bekannte Berechnungstechnik hat sich in den letzten Jahrzehnten stetig verbessert, da die Leistung von Supercomputern exponentiell zugenommen hat. Die Gitter-QCD hat nun den Punkt erreicht, an dem vorhergesagt werden kann, dass der Gluon-Beitrag zum Spin des Protons 50% beträgt, wiederum mit einigen Prozent Unsicherheit. Am bemerkenswertesten 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 des Protons berechnet werden können, wie z. B. seine Komponenten-Spin-Beiträge. Bildnachweis: Laboratoire de Physique de Clermont / ETM-Zusammenarbeit.

Die restlichen 20% müssen aus dem Drehimpuls der Umlaufbahn stammen, bei 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 sich drehenden Valenzquarks, Seequarks und Antiquarks, sich drehenden Gluonen, die sich gegenseitig umkreisen. Von dort kommen ihre Drehungen. Bildnachweis: Zhong-Bo Kang, 2012, RIKEN, Japan.

Es ist bemerkenswert und faszinierend, dass sowohl Theorie als auch Experiment übereinstimmen, aber am unglaublichsten ist die Tatsache, dass die einfachste Erklärung für den Spin des Protons - einfach die drei Quarks addiert - Ihnen die richtige Antwort aus dem falschen Grund gibt! Da 70% des Spin des Protons aus Gluonen und Orbitalwechselwirkungen stammen und Experimente und Gitter-QCD-Berechnungen Hand in Hand verbessert werden, nähern wir uns endlich genau dem Grund, warum sich das Proton mit dem genauen Wert „dreht“.

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