科研進展
中國學者首次分析揭示質(zhì)子內(nèi)部橫動量依賴的螺旋度分布
近日，來自北京大學、山東大學、中國科學院近代物理研究所的研究團隊—橫向核子層析合作組—在質(zhì)子自旋結構研究中取得突破性進展，首次成功提取了質(zhì)子中橫動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《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
自上世紀80年代“質(zhì)子自旋危機”揭示夸克自旋僅貢獻質(zhì)子自旋的一小部分，質(zhì)子自旋結構即成為粒子物理領域的一個長期謎題。精確測量質(zhì)子三維自旋結構也是未來電子離子對撞機等國際大科學裝置的主要物理目標之一。
此項研究采用量子色動力學（QCD）橫動量依賴的因子化理論框架，在次領頭階（NLO）和次次領頭對數(shù)（NNLL）對全球已有的半單舉深度非彈性散射（SIDIS）過程橫動量依賴縱向雙自旋不對稱度實驗數(shù)據(jù)進行了全局分析?；跀?shù)據(jù)的統(tǒng)計誤差和系統(tǒng)誤差以及數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)，分析結果顯示上夸克和下夸克的TMD helicity分布有顯著非零信號，并且其橫動量積分結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。
研究同時揭示在價夸克主導的中等縱向動量分數(shù)x區(qū)域，夸克極化度隨橫動量增加而下降。這一結果直接驗證了馬伯強教授于30年前所指出的Melosh-Wigner轉動這一相對論運動學效應是造成質(zhì)子自旋“丟失”的主要物理機制[1,2]。而另一方面，在海夸克主導的較小x區(qū)域，研究發(fā)現(xiàn)夸克極化度隨橫動量變化呈現(xiàn)出相反變化趨勢，意味著質(zhì)子自旋結構在該區(qū)域存在著復雜的強相互作用動力學效應。中國極化電子離子對撞機將有望在?？淇藚^(qū)域大幅提高質(zhì)子三維自旋結構的測量精度。
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]的全局擬合。對TMD helicity分布函數(shù)的首次提取不僅是在深入理解質(zhì)子三維自旋結構邁出的關鍵一步，還為下一代高精度實驗測量提供了理論支撐。
北京大學物理學院博士研究生楊科為論文第一作者，山東大學前沿交叉科學青島研究院劉天博教授、中國科學院近代物理研究所孫鵬、趙宇翔研究員、北京大學物理學院馬伯強教授為通訊作者。
圖1：三維螺旋度分布在不同縱動量分數(shù)下隨橫動量的分布，依次為上夸克螺旋度分布、下夸克的螺旋度分布、三種?？淇说穆菪确植迹z子的螺旋度分布
圖2：質(zhì)子中夸克極化度在不同縱動量分數(shù)下隨橫動量變化示意圖
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.121902
（橫向核子層析合作組??供稿）
相關文獻：
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[2] B.-Q. Ma & Q.-R. Zhang,Z. Phys. C 58,479 (1993)
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[4] C. Zeng,H. Dong,T. Liu,P. Sun,Y. Zhao,Phys. Rev. D 109,056002 (2024)
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