Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

あらゆる原子の内部では、陽子と中性子が物質の密な核を形成していますが、それらは固定的で不変な球体ではありません。むしろ、それらはクォークやグルーオンと呼ばれる、より小さな粒子の動的な束であり、絶えず運動しています。数十年にわたり、物理学者は、陽子のスピン（コマのように回転する様子）が、単に3つの主要なクォークのスピンの総和ではないことを理解してきました。このスピンの大部分は、クォークが陽子内部を駆け巡る際の軌道運動と、それらを繋ぎ止めているグルーオンから来ています。この目に見えない内部の景観をマッピングするために、科学者たちは高エネルギー衝突を用いて陽子の構造を探索します。これを行うための最も強力な道具の一つが、陽子やパイオンのような2つのハドロンが衝突して、電子の重い親戚であるミューオンのペアを作り出すプロセスです。これらのミューオンがどのように飛び散るかを研究することで、研究者はそれらを生み出したクォークの挙動を再構成し、陽子のスピンがどのように組み立てられているかについての詳細を明らかにすることができます。

ウェンチェン・チャンによる国際スピン物理シンポジウムでの最近の発表は、このドレ・ヤン過程として知られる衝突プロセスが、これらの内部運動に関する我々の理解を検証するためにどのように用いられているかを概説しています。この研究は、クォークの2つの特定の動き、すなわち、陽子の進行方向に対して横方向にどのように動くかを表す横運動量と、陽子のスピンとの相関に焦点を当てています。より簡単に言えば、科学者たちは、クォークの横方向の動きが陽子の回転の向きと結びついているかどうかを示すパターンを探しています。これは極めて重要です。なぜなら、物理学の基本理論は、スピンと横方向の運動の関係が、「空間的（space-like）」な環境か「時間的（time-like）」な環境かによって符号が反転すると予測しているからです。電子ビームを用いた過去の実験では、ある種の運動についてこの反転が確認されていましたが、ドレ・ヤン過程は、この規則が他の種類の運動に対しても成立するかどうか、また、陽子がパイオンのような他の粒子によって衝突される場合にも同じ規則が適用されるかどうかを確認するためのユニークな方法を提供します。

この発表は、クォークやグルーオンが陽子のスピンとどのように相関しているかを示す数学的な記述である、ブーア・モルダー関数に関する最近の知見を強調しています。パイオンビームがタングステン標的に衝突した過去の実験データを分析することにより、研究者たちは観察されたミューオンペアのパターンを、標準的な量子論に基づく複雑なコンピュータ計算と比較しました。その結果、標準理論はデータの一部を説明できるものの、それ単独ではすべてを説明できないことが示されました。具体的には、データはミューオンが出現する角度において、純粋な理論の予測から逸脱した明確なパターンを示しました。この逸脱は、ブーア・モルダー効果の存在を示唆しています。さらに、これらの新しい知見を電子散乱実験からの以前の結果と組み合わせることで、クォークの運動とスピンの間の相関が、これら2つの異なる種類の衝突の間で方向を逆転させるという考えが強く支持されます。この確認は、プローブ（探針）がどのように照射されるかにかかわらず、陽子の内部を支配する法則が普遍的であるという考えを証明するための重要なステップです。

これらの確認された知見を超えて、この論文は新たなフロンティア、すなわち、ドレ・ヤン過程を用いて一般化されたパルトン分布を研究することを見据えています。これらは、クォークがどのように動くかだけでなく、陽子の内部のどこに位置しているかをも記述する、より複雑なマップです。これらのマップは電子ビームを用いて部分的に描かれてきましたが、論文は日本のJ-PARC施設におけるパイオンビームを用いて、この全体像を完成させるための斬新な手法を提案しています。研究者たちは、高エネルギーのパイオンを陽子に照射し、パイオンと陽子が衝突して仮想光子を生成し、それが直ちにミューオンのペアへと崩壊し、陽子が中性子へと変化しながらも構造を維持するという、非常に特殊で稀なイベントを探す計画を設計しました。これは、信号が他の衝突による背景ノイズと比較して極めて小さいため、非常に困難な測定です。しかし、詳細なシミュレーションによれば、専用のビームラインと特定の検出器セットアップがあれば、これらの稀なイベントを分離することが可能であると示唆されています。シミュレーションは、15GeVのパイオンビームを用いて約50日間実験を行えば、陽子の内部構造に関する異なる理論モデルを区別するのに十分なデータを生成できることを示しています。

この新しい測定への道は、J-PARCにおける高運動量パイオンビームラインの段階的な建設を伴います。初期テストでは、実験に必要な二次粒子がすでに特定されており、ビーム強度が予測と一致していることが確認されています。もし成功すれば、この実験は、ハドロンビームを用いた時間的プロセスを通じて、陽子の構造を直接見る最初の手がかりを提供することになり、電子散乱から得られる空間的な視点に対する補完的な視点を提供することになります。同じ基礎的な規則がこれら異なる衝突環境においても適用されることを検証することで、物理学者は、核子の包括的な三次元図を完成させたいと考えています。この研究は単に欠落したデータを埋めるだけではなく、自然の基本的な対称性を厳格にテストし、物質がどのように構築されているかについての我々の理解が、我々がそれを調査するさまざまな方法において真実であることを保証するものです。