أزمة دوران البروتون

أزمة دوران البروتون (أو لغز دوران البروتون ) هي أزمة نظرية تفاقمت بسبب تجربة أجراها فريق التعاون الأوروبي للميونات (EMC) عام 1987، ^{[ 1 ]} والتي حاولت تحديد توزيع الدوران داخل البروتون . ^{[ 2 ]}

توقع الفيزيائيون أن تحمل الكواركات كامل عزم دوران البروتون . إلا أنه لم يكن عزم دوران البروتون الكلي الذي تحمله الكواركات أقل بكثير من 100% فحسب، بل كانت هذه النتائج متوافقة مع افتراض أن عزم دوران البروتون الذي تحمله الكواركات يكاد يكون معدومًا (4-24% ^{[ 3 ]} ). وقد أُطلق على هذه النتيجة المفاجئة والمحيرة اسم "أزمة عزم دوران البروتون". ^{[ 4 ]} وتُعتبر هذه المشكلة من أهم المشكلات غير المحلولة في الفيزياء . ^{[ 5 ]}

يُعدّ أحد الأسئلة المحورية كيفية توزيع عزم دوران النيوكليونات بين مكوناتها ( الجسيمات الأولية : الكواركات والغلوونات ). تمثل مكونات عزم دوران البروتون القيم المتوقعة لمصادر الزخم الزاوي الفردية. وتعتمد هذه القيم على مقياس إعادة التطبيع ، لأن مؤثراتها لا تُحفظ بشكل منفصل. ^{[ 6 ]} توقع الفيزيائيون في الأصل أن تحمل كواركات التكافؤ كامل عزم دوران النيوكليون.

يتكون البروتون من ثلاثة كواركات تكافؤ ( كواركان علويان وكوارك سفلي واحد )، وغلوونات افتراضية، وكواركات ومضادات كواركات افتراضية (أو بحرية ) (لا تؤثر الجسيمات الافتراضية على الأعداد الكمومية للبروتون). كانت الفرضية السائدة هي أنه بما أن البروتون مستقر ، فإنه يوجد في أدنى مستوى طاقة ممكن. لذلك، كان من المتوقع أن تكون دالة موجة الكوارك هي الموجة s المتناظرة كرويًا بدون أي مساهمة مكانية في الزخم الزاوي. البروتون، مثل كل كوارك من كواركاته، جسيم ذو لف مغزلي 1/2 ( فرميون ) . لذلك، افترض أن اثنين من الكواركات سيكون لهما لف مغزلي متوازيين ، بينما سيكون للكوارك الثالث لف مغزلي معاكس للبروتون.

في هذه التجربة الكهرومغناطيسية، تم اصطدام كوارك من هدف بروتوني مستقطب بشعاع ميون مستقطب ، وقُيس دورانه اللحظي. في هدف بروتوني مستقطب، تتخذ جميع دورانات البروتونات نفس الاتجاه، ولذلك كان من المتوقع أن يلغي دوران اثنين من الكواركات الثلاثة بعضهما، وأن يكون دوران الكوارك الثالث مستقطبًا في اتجاه دوران البروتون. وبالتالي، كان من المتوقع أن يكون مجموع دورانات الكواركات مساويًا لدوران البروتون.

بدلاً من ذلك، وجدت التجربة أن عدد الكواركات ذات اللف المغزلي في اتجاه لف البروتون كان مساوياً تقريباً لعدد الكواركات ذات اللف المغزلي في الاتجاه المعاكس. هذه هي أزمة لف البروتون. وقد تم الحصول على نتائج مماثلة في تجارب لاحقة. ^{[ 7 ]}

أظهرت ورقة بحثية نُشرت عام ٢٠٠٨ أن أكثر من نصف عزم دوران البروتون ناتج عن عزم دوران الكواركات، وأن العزم المتبقي ينتج عن الزخم الزاوي المداري للكواركات . ^{[ ٨ ]} استخدم هذا العمل التأثيرات النسبية إلى جانب خصائص أخرى للديناميكا اللونية الكمومية ، وشرح كيف تُختزل هذه التأثيرات إلى زخم زاوي مكاني إجمالي يتوافق مع البيانات التجريبية. وأظهرت ورقة بحثية أخرى نُشرت عام ٢٠١٣ كيفية حساب مساهمة حلزونية الغلوون باستخدام الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية. ^{[ ٩ ]}

بحسب الفيزيائي شيانغدونغ جي في عام 2017، تُظهر نظرية الكروموديناميكا الكمية الشبكية أن "التوقع النظري لنسبة دوران النيوكليون المحمولة في دوران الكوارك يبلغ حوالي 30%. وبالتالي لا يوجد تباين جوهري بين النظرية الأساسية والبيانات." ^{[ 10 ]}

أظهرت حسابات مونت كارلو أن 50% من دوران البروتون ناتج عن استقطاب الغلوونات. ^{[ 11 ]} وتشير نتائج مصادم الأيونات الثقيلة النسبية (RHIC) ، المنشورة عام 2016، إلى أن الغلوونات قد تحمل نسبة أكبر من دوران البروتون مقارنةً بالكواركات. ^{[ 12 ]} مع ذلك، أشارت حسابات نظرية الكروموديناميكا الكمية الشبكية (QCD) عام 2018 إلى أن الزخم الزاوي المداري للكواركات هو المساهم الرئيسي في دوران النيوكليون. ^{[ 13 ]}

في نشرة الجمعية الأمريكية لفيزياء الجسيمات التطبيقية (AAPPS) لعام 2022 ، حسب كيه-فاي ليو أن دوران الكوارك يساهم بنحو 40% من الزخم الزاوي، بينما يساهم الزخم الزاوي المداري للكوارك بنحو 15%، ويساهم الزخم الزاوي المداري للغلوون بنحو 40%. وبالنظر إلى هوامش الخطأ المختلفة في كل من الحسابات النظرية والتجارب، فإن هذا يتوافق أيضًا مع المساهمة التجريبية المرصودة لدوران الكوارك والتي تبلغ حوالي 30%. ^{[ 14 ]}

• كارتر، كانديس (2013-04-02). "تحدد لفات الكواركات موقعها في البروتون" . Phys.org .