¿Cómo transportan los quarks y los gluones el giro de los protones?
La crisis del espín del protón (o rompecabezas del espín del protón ) es una crisis teórica precipitada por un experimento realizado en 1987 por la European Muon Collaboration (EMC), [1] que intentó determinar la distribución del espín dentro del protón . [2]
Los físicos esperaban que los quarks llevaran todo el espín de un protón . Sin embargo, no sólo el espín total de los protones transportado por los quarks era mucho menor que el 100%, sino que estos resultados eran consistentes con un espín de protones casi nulo (4~24% [3] ) transportado por los quarks. Este resultado sorprendente y desconcertante se denominó "crisis del espín del protón". [4] El problema se considera uno de los problemas no resueltos más importantes de la física . [5]
Una cuestión clave es cómo se distribuyen los espines de los nucleones entre sus partes constituyentes ( "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 originalmente esperaban que los quarks de valencia llevaran todo el espín del nucleón.
Un protón se construye a partir de tres quarks de valencia (dos quarks arriba y uno abajo ), gluones virtuales y quarks y antiquarks virtuales (o marinos ) (las partículas virtuales no influyen en los números cuánticos del protón). La hipótesis predominante 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 /2partícula (un fermión ). Por lo tanto, se planteó la hipótesis de que dos de los quarks tendrían su espín paralelo al del protón y el espín del tercer quark sería opuesto.
En este experimento de EMC, un quark de un objetivo de protón polarizado fue alcanzado por un haz de muones polarizado y se midió el giro instantáneo del quark. En un objetivo de protón polarizado, el giro de todos los protones toma la misma dirección y, por lo tanto, se esperaba que el giro de dos de los tres quarks se cancelara y el giro del tercer quark se polarizara en la dirección del giro del protón. Por tanto, se esperaba que la suma del espín de los quarks fuera igual al espín del protón.
En cambio, el experimento encontró que el número de quarks con espín en la dirección de 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 de los protones. Se han obtenido resultados similares en experimentos posteriores. [7]
Un artículo publicado en 2008 demostró que más de la mitad del espín del protón proviene del espín de sus quarks, y que el espín 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 de los gluones utilizando QCD reticular. [9]
Según el físico Xiangdong Ji en 2017, Lattice QCD muestra que "la expectativa teórica sobre la fracción del espín del nucleón transportada en el espín del quark es de aproximadamente el 30%. Por lo tanto, no existe una discrepancia sustancial entre la teoría fundamental y los datos". [10]
Los cálculos de Monte Carlo han demostrado que el 50% del espín del protón proviene de la polarización de los gluones. [11] Los resultados del RHIC , publicado en 2016, indican que los gluones pueden transportar incluso más espín de los protones que los quarks. [12] Sin embargo, en 2018, los cálculos de QCD de la red indicaron que es el momento angular orbital del quark la contribución dominante al espín 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 diversas barras de error tanto en los cálculos teóricos como en los experimentos, esto también es consistente con la contribución experimental observada al espín de los quarks de alrededor del 30%. [14]