Exploring nucleon spin by Drell-Yan process

在每一个原子内部，质子和中子构成了物质致密的内核，然而它们并非坚实、不变的球体。相反，它们是被称为夸克和胶子的更小粒子的动态束，处于不断的运动之中。几十年来，物理学家已经了解到，质子的自旋——即它像陀螺一样旋转的方式——不仅仅是其三个主要夸克自旋的总和。很大一部分自旋来自于这些夸克在质子内部飞速绕行时的轨道运动，以及将它们束缚在一起的胶子。为了绘制这种看不见的内部景观，科学家们利用高能碰撞来探测质子的结构。其中一个最强大的工具是这样一种过程：两个强子（例如质子或π介子）相互撞击，产生一对缪子，即电子的“重型亲戚”。通过研究这些缪子如何飞散，研究人员可以重建创造它们的夸克的行为，从而揭示关于质子自旋是如何组装起来的细节。

张文晨（Wen-Chen Chang）在一次关于自旋物理学的国际研讨会上发表的近期报告，回顾了如何利用这种被称为狄利-雅恩（Drell-Yan）过程的碰撞过程来测试我们对这些内部运动的理解。这项工作侧重于夸克运动的两种特定方式：它们的横向动量（描述了夸克相对于质子方向的左右移动方式），以及它们与质子自旋的相关性。简单来说，科学家们正在寻找模式，以展示夸克的横向运动是否与质子旋转的方向相关联。这至关重要，因为一个基础物理理论预测，这种自旋与横向运动之间的关系会根据碰撞发生在“类空间”还是“类时间”环境中而发生符号翻转。虽然以往使用电子束进行的实验已经证实了这种对于一种运动类型的翻转，但狄利-雅恩过程提供了一种独特的方式，可以检查这一规则是否也适用于其他类型的运动，并观察当质子被其他粒子（如π介子）撞击时，相同的规则是否依然适用。

该报告强调了关于布尔-穆勒函数（Boer-Mulders function）的最新发现，这是一种描述夸克和胶子如何与质子自旋相关的数学描述。通过分析以往π介子束撞击钨靶实验的数据，研究人员将观察到的缪子对模式与基于标准量子理论的复杂计算机计算进行了对比。结果显示，虽然标准理论可以解释部分数据，但它本身无法解释全部。具体而言，数据揭示了缪子出现角度上的一个明显模式，该模式偏离了纯理论预测。这种偏差表明存在布尔-穆勒效应。此外，通过将这些新发现与早期的电子散射实验结果相结合，证据有力地支持了这样一个观点：夸克运动与自旋之间的相关性在两种不同的碰撞类型之间会发生方向反转。这一确认是证明质子内部规律具有普适性的关键一步，即无论使用何种探测手段，其规律都是一致的。

除了这些已证实的发现外，该论文还展望了一个新的前沿领域：利用狄利-雅恩过程来研究广义部分分布（generalized parton distributions）。这些是更复杂的地图，不仅描述了夸克如何运动，还描述了它们在质子内部的具体位置。虽然这些地图已通过电子束部分绘制完成，但论文提出了一种新方法，旨在利用日本J-PARC设施的π介子束来完善这一图景。研究人员设计了一个计划，发射高能π介子撞击质子，并寻找一种非常特殊且罕见的事件：即一个π介子与一个质子碰撞，产生一个虚拟光子，该光子立即衰变为一对缪子，同时使质子保持完整但转化为中子。由于该信号相对于其他碰撞产生的背景噪声而言极其微小，因此这是一项极难的测量。然而，详细的模拟表明，通过专门的束流线和特定的探测器设置，分离出这些罕见事件是可能的。模拟显示，使用15-GeV的π介子束运行实验约50天，即可产生足够的数据来区分不同的质子内部结构理论模型。

通往这一新测量路径的过程涉及在J-PARC建设高动量π介子束流线的阶段性工程。早期的测试已经成功识别了实验所需的二次粒子，确认了束流强度符合预测。如果成功，这项实验将通过强子束提供对质子结构进行“类时间”过程的首次直接观察，为通过电子散射获得的“类空间”视角提供补充。通过验证相同的底层规则适用于这些不同的碰撞环境，物理学家希望最终描绘出一幅完整的核子三维图像。这项工作不仅仅是在填补缺失的数据，它还在严谨地测试自然的根本对称性，确保我们对物质如何构建的理解，在选择不同的观察方式时依然保持一致。