质子自旋危机:一个物理学的谜团
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质子是构成原子核的基本粒子之一,它有一个特殊的性质,就是自旋。自旋是一种内禀的角动量,可以类比为质点在自己的轴上旋转。质子的自旋是1/2,这意味着它需要转两圈才能回到原来的状态。 物理学家一直想知道质子的自旋是如何由它的组成部分——夸克和胶子——决定的。夸克是构成质子的更基本的粒子,有六种不同的味道,分别是上、下、奇、粲、顶和底。胶子是一种无质量的粒子,它通过强相互作用将夸克粘在一起。根据量子色动力学,质子是由两个上夸克、一个下夸克、胶子和可能存在的夸克-反夸克对组成的。
物理学家原本预计夸克会完全负担质子的自旋,因为根据简单的夸克模型,质子是一个对称的S波态,夸克之间没有空间角动量。因此,假设其中两个夸克具有相反的自旋,则第三个夸克的自旋就与质子自旋相互平行。 欧洲μ子共同研究的实验组有了一个惊人的发现:他们用极化μ子射线击中极化质子目标,测量了质子中夸克的瞬间自旋。他们发现,以质子自旋方向自旋的夸克数量,与以质子自旋反向自旋的夸克数量几乎相同。这意味着夸克所承担的质子自旋非常小,实际上几乎没有负担任何自旋。 这个令人惊讶和费解的结果被称为“质子自旋危机”,它揭示了我们对量子色动力学和核物理学的理解还有很大的不足。后来的实验也得到了类似的结果,表明这个问题不是一个偶然现象,而是一个普遍存在的现象。 那么,如果不是夸克,那么质子自旋究竟是由什么决定的呢?这个问题至今没有得到完全清楚的答案,但是有一些可能的解释。 |
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