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什么是质子自旋危机?

【希光芒的回答(34票)】:

作为在老马组干过的学生怎能不回答这个问题!

Spin Crisis是EMC小组在90年代初发现的一个与理论不符合的实验现象:质子中的夸克只携带质子角动量中很小的一部分。质子的自旋为1/2,而夸克的自旋也为1/2,naive model认为三个夸克的自旋加起来就是质子的自旋,结果却发现这三个组分之和只占30%左右。

这一危机反应的不过是非微扰QCD计算棘手性的冰山一角。QCD在低能情况下不再有渐进自由带来的一系列优良计算性质,而非微扰的量子场论几乎没有啥好的理论方法。不仅仅是Spin Crisis,EMC组还发现了另外一个EMC效应:Fe Nuclei和He Nuclei的structure function ratio曲线怎么在0.3~0.7这一段Bjorken x的突然下降了?这一现象说明自由核子和相互作用下的核子很不一样。这个问题比Spin Crisis问题还要坑爹:不仅强关联,而且还是少体效应。关于这一系列问题,历史上都有很多模型宣称解决了问题,但是学界的总体态度还是:Every body's model is cool. So what?

关于Spin Crisis的解释中,最成功的模型之一就是P大马伯强老师的Melosh-Wigner理论。马伯强老师的思想在于充分考虑相对论效应下的Spin变换。在Light Cone Quantum Field Theory中,系统的背景变得十分干净,我们就可以十分清晰的处理角动量之间的关系。由于Spin Crisis的实验背景是500MeV上下,相对论效应已经占主导地位了,我们应该先分析一下相对论效应对spin方向的影响。具体的计算方法是Melosh-Wigner Rotation,一个简单的计算就足以说明这一现象不可忽略,而且计算后的效应可以很好的解释spin crisis。具体的文献是

  • Z.Phys. C58 (1993) 479-482
  • Nucl.Phys. B593 (2001) 311-335(感谢Brodsky爷爷给我写推荐信)

别的工作我就不清楚了,只想奉劝各位:不要用AdS/CFT算EMC效应,真的算不出来……

【脏脚丫的回答(19票)】:

主要是说当年 EMC 实验发现核子中夸克携带的自旋只占总自旋的很小一部分,与 quark model 的预测不符。当然 EMC 的结果误差很大,后来 compass 把这个贡献定在了 33% 左右(PLB 647, 8–17 (2007)),relativistic quark model 的预期好像是 60%. Skyrmion 模型好像也有预期,忘了是多少了,skyrmion 和 quark model 是两个极端,所以我猜应该是比试验小很多。话说现在我一看到 Skyrmion 第一反应是老滚………………

现在我们知道只要涉及到 QCD, 试验与模型不符简直太正常了………… 所以我们一般都说 proton spin puzzle, 不说 crisis 了。

解决这个问题的方法也很简单,模型不靠谱,那就不用模型…… 所以现在唯一靠谱的方法就是 lattice qcd. 具体计算请见 1312.4816。不过这文章虽然看起来还算新,实际上结果是好多好多好多年前的了,更新的结果还没算完。这玩意算起来坑太多了………………

【追逐太阳的回答(30票)】:

谢邀。

质子自旋危机指的是1988年一个叫做EMC(European Muon Collaboration)的实验发现质子中的夸克只提供质子自旋角动量的很小一部分,这一结果与当时人们的预期相反,所以被冠以“危机”之称。但是现在看来,这个结果并没有与理论预期偏离到“危机”的程度。一方面,实验测到的夸克提供的自旋比例变大了,另一方面,理论上考虑了各种非微扰效应之后也能对这个量给出较小的预言。

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