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)長期謎題。精確測量質(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。基于數(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，而海夸克和膠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，在海夸克主導(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，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、三種海夸克的螺旋度分布，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
