La crisis del espín del protón (o rompecabezas del espín del protón ) es una crisis teórica precipitada por un experimento de 1987 de la Colaboración Europea de Muones (EMC), [1] que intentó determinar la distribución del espín dentro del protón . [2]
Los físicos esperaban que los quarks tuvieran todo el espín de un protón . Sin embargo, no solo el espín total del protón que tenían los quarks era mucho menor que el 100%, sino que estos resultados eran consistentes con un espín de protón casi nulo (4-24% [3] ) que tenían los quarks. Este sorprendente y desconcertante resultado se denominó "crisis del espín del protón". [4] El problema se considera uno de los problemas importantes sin resolver en física . [5]
Una cuestión clave es cómo se distribuyen los espines de los nucleones entre sus partes constituyentes ( los "partones" : quarks y gluones ). Los componentes del espín del protón son valores esperados de fuentes individuales de momento angular. Estos valores dependen de la escala de renormalización , porque sus operadores no se conservan por separado. [6] Los físicos esperaban originalmente que los quarks de valencia portaran todo el espín del nucleón.
Un protón está formado por tres quarks de valencia (dos quarks up y un quark down ), gluones virtuales y quarks y antiquarks virtuales (o sea ) (las partículas virtuales no influyen en los números cuánticos del protón). La hipótesis dominante era que, dado que el protón es estable , existe en el nivel de energía más bajo posible. Por lo tanto, se esperaba que la función de onda del quark fuera la onda s esféricamente simétrica sin contribución espacial al momento angular. El protón es, como cada uno de sus quarks, un espín- 1 /2 partícula (un fermión ). Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que dos de los quarks tendrían sus espines paralelos y el tercer quark tendría su espín antiparalelo al del protón.
En este experimento de EMC, un haz de muones polarizado golpeó un quark de un objetivo de protones polarizado y se midió el espín instantáneo del quark. En un objetivo de protones polarizado, el espín de todos los protones toma la misma dirección y, por lo tanto, se esperaba que el espín de dos de los tres quarks se cancelara y el espín del tercer quark estuviera polarizado en la dirección del espín del protón. Por lo tanto, se esperaba que la suma del espín de los quarks fuera igual al espín del protón.
En cambio, el experimento descubrió que el número de quarks con espín en la dirección del espín del protón era casi el mismo que el número de quarks cuyo espín estaba en la dirección opuesta. Esta es la crisis del espín del protón. Se han obtenido resultados similares en experimentos posteriores. [7]
Un artículo publicado en 2008 mostró que más de la mitad del giro del protón proviene del giro de sus quarks, y que el giro faltante es producido por el momento angular orbital de los quarks . [8] Este trabajo utilizó efectos relativistas junto con otras propiedades cromodinámicas cuánticas y explicó cómo se reducen a un momento angular espacial general que es consistente con los datos experimentales. Un artículo de 2013 mostró cómo calcular la contribución de la helicidad del gluón utilizando QCD en red. [9]
Según el físico Xiangdong Ji en 2017, la QCD en red muestra que "la expectativa teórica sobre la fracción del giro del nucleón transportado en el giro del quark es de alrededor del 30%. Por lo tanto, no hay discrepancia sustancial entre la teoría fundamental y los datos". [10]
Los cálculos de Monte Carlo han demostrado que el 50% del giro del protón proviene de la polarización de los gluones. [11] Los resultados del RHIC , publicados en 2016, indican que los gluones pueden transportar incluso más giro de protones que los quarks. [12] Sin embargo, en 2018, los cálculos de QCD en red indicaron que es el momento angular orbital del quark el que constituye la contribución dominante al giro del nucleón. [13]
En un boletín de la AAPPS de 2022 , Keh-Fei Liu calculó que el espín de los quarks contribuye con aproximadamente el 40 % del momento angular, el momento angular orbital de los quarks contribuye con aproximadamente el 15 % y el momento angular orbital de los gluones contribuye con aproximadamente el 40 %. Dadas las distintas barras de error tanto en los cálculos teóricos como en los experimentos, esto también es coherente con la contribución experimental observada del espín de los quarks de alrededor del 30 %. [14]