近日，來自北京大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)—橫向核子層析合作組—在質(zhì)子自旋結(jié)構(gòu)研究中取得突破性進(jìn)展，首次成功提取了質(zhì)子中橫動(dòng)量依賴的部分子螺旋度分布函數(shù)（TMD helicity distributions）。這一研究成果以“First Extraction of Transverse-Momentum Dependent Helicity Distributions”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

自上世紀(jì)80年代“質(zhì)子自旋危機(jī)”揭示夸克自旋僅貢獻(xiàn)質(zhì)子自旋的一小部分，質(zhì)子自旋結(jié)構(gòu)即成為粒子物理領(lǐng)域的一個(gè)長(zhǎng)期謎題。精確測(cè)量質(zhì)子三維自旋結(jié)構(gòu)也是未來電子離子對(duì)撞機(jī)等國(guó)際大科學(xué)裝置的主要物理目標(biāo)之一。

此項(xiàng)研究采用量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）橫動(dòng)量依賴的因子化理論框架，在次領(lǐng)頭階（NLO）和次次領(lǐng)頭對(duì)數(shù)（NNLL）對(duì)全球已有的半單舉深度非彈性散射（SIDIS）過程橫動(dòng)量依賴縱向雙自旋不對(duì)稱度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了全局分析?；跀?shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)誤差和系統(tǒng)誤差以及數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，分析結(jié)果顯示上夸克和下夸克的TMD helicity分布有顯著非零信號(hào)，并且其橫動(dòng)量積分結(jié)果與共線螺旋度分布（collinear helicity distributions）相符合，而?？淇撕湍z子的分布仍存在較大的不確定度。

研究同時(shí)揭示在價(jià)夸克主導(dǎo)的中等縱向動(dòng)量分?jǐn)?shù)x區(qū)域，夸克極化度隨橫動(dòng)量增加而下降。這一結(jié)果直接驗(yàn)證了馬伯強(qiáng)教授于30年前所指出的Melosh-Wigner轉(zhuǎn)動(dòng)這一相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)效應(yīng)是造成質(zhì)子自旋“丟失”的主要物理機(jī)制[1,2]。而另一方面，在?？淇酥鲗?dǎo)的較小x區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)夸克極化度隨橫動(dòng)量變化呈現(xiàn)出相反變化趨勢(shì)，意味著質(zhì)子自旋結(jié)構(gòu)在該區(qū)域存在著復(fù)雜的強(qiáng)相互作用動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。中國(guó)極化電子離子對(duì)撞機(jī)將有望在海夸克區(qū)域大幅提高質(zhì)子三維自旋結(jié)構(gòu)的測(cè)量精度。

橫向核子層析合作組自2022年以來先后完成Sivers分布函數(shù)[3]，橫向極化分布函數(shù)（transversity）與Collins碎裂函數(shù)[4]，和橫縱度分布函數(shù)（trans-helicity worm gear）[5]的全局?jǐn)M合。對(duì)TMD helicity分布函數(shù)的首次提取不僅是在深入理解質(zhì)子三維自旋結(jié)構(gòu)邁出的關(guān)鍵一步，還為下一代高精度實(shí)驗(yàn)測(cè)量提供了理論支撐。

北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生楊科為論文第一作者，山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院劉天博教授、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所孫鵬、趙宇翔研究員、北京大學(xué)物理學(xué)院馬伯強(qiáng)教授為通訊作者。

圖1：三維螺旋度分布在不同縱動(dòng)量分?jǐn)?shù)下隨橫動(dòng)量的分布，依次為上夸克螺旋度分布、下夸克的螺旋度分布、三種?？淇说穆菪确植?，膠子的螺旋度分布

圖2：質(zhì)子中夸克極化度在不同縱動(dòng)量分?jǐn)?shù)下隨橫動(dòng)量變化示意圖

論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.121902

（橫向核子層析合作組??供稿）

相關(guān)文獻(xiàn)：

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[3] C. Zeng,T. Liu,P. Sun,Y. Zhao,Phys. Rev. D 106,094039 (2022)

[4] C. Zeng,H. Dong,T. Liu,P. Sun,Y. Zhao,Phys. Rev. D 109,056002 (2024)

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