核物理学家长期以来一直在努力揭示质子如何自旋。现在，一种将实验数据与最先进的计算相结合的新方法揭示了将质子结合在一起的胶水对自旋贡献的更详细图像。这也为对质子的三维结构进行成像铺平了道路。

这项工作由托马斯杰斐逊国家加速器设施理论与计算物理中心(理论中心)的博士后研究员 Joseph Karpie 领导。

他说，这个几十年之久的谜团始于 1987 年对质子自旋源的测量。物理学家最初认为质子的构成要素——夸克，是质子自旋的主要来源。但他们发现并非如此。事实证明，质子的夸克仅提供了质子总测量自旋的约 30%。其余来自另外两个来源，到目前为止，这两个来源已被证明更难测量。

一种是神秘而强大的强力。强力是宇宙中的四种基本力之一。强力将夸克“粘合”在一起，形成其他亚原子粒子，例如质子或中子。强力的表现形式称为胶子，胶子被认为对质子的自旋有贡献。最后一点自旋被认为来自质子的夸克和胶子的运动。

他说：“这篇论文在某种程度上将理论中心的两个团队聚集在一起，他们一直致力于理解同一物理问题，即质子内部的胶子如何影响质子的旋转速度。”

他说这项研究的灵感来自于对胶子自旋的初步实验测量得出的一个令人费解的结果。这些测量是在相对论重离子对撞机上进行的，这是科学办公室位于纽约布鲁克海文国家实验室的用户设施。数据最初似乎表明胶子可能对质子的自旋有所贡献。它们显示出了积极的结果。

但随着数据分析的不断改进，进一步的可能性出现了。

“当他们改进分析时，他们开始得到两组看似截然不同的结果，一组是积极的，另一组是消极的，”卡皮解释道。

虽然早先的正面结果表明胶子的自旋与质子的自旋一致，但改进后的分析考虑到了胶子的自旋总体上具有负贡献的可能性。在这种情况下，更多的质子自旋将来自夸克和胶子的运动，或来自夸克本身的自旋。

这个令人费解的结果由杰斐逊实验室角动量(JAM)合作小组发表。

与此同时，HadStruc 合作小组一直在以不同的方式处理同样的测量问题。他们使用超级计算机来计算描述质子中夸克和胶子之间相互作用的基础理论——量子色动力学 (QCD)。

为了让超级计算机能够进行如此复杂的计算，理论学家们对该理论的某些方面进行了一定程度的简化。这种对计算机的简化版本被称为格点 QCD。

Karpie 领导了一项将两个团队的数据整合在一起的工作。他首先汇总了来自世界各地设施的实验数据。然后，他将格点 QCD 计算的结果添加到他的分析中。

参与这项研究的杰斐逊实验室高级研究员戴维·理查兹说：“这是将我们所知道的关于夸克和胶子自旋以及胶子如何在一个维度上影响质子自旋的所有信息放在一起。”

“当我们这样做时，我们发现负面的东西并没有消失，但它们发生了巨大的变化。这意味着其中发生了一些奇怪的事情，”卡皮说。

Karpie 是最近发表在《物理评论 D》上的这项研究的主要作者。他说，主要的收获是，结合两种方法的数据可以提供更明智的结果。

“我们将两个数据集结合在一起，得到了比我们任何一个人单独得到的结果更好的结果。这确实表明，通过将格点 QCD 和实验结合在一起进行一个问题分析，我们可以学到更多东西，”Karpie 说。“这是第一步，我们希望继续这样做，使用越来越多的可观测量，并制作更多的格点数据。”

下一步是进一步改进数据集。随着更强大的实验提供关于质子的更详细信息，这些数据开始描绘出超越一维的图景。随着理论家学会如何在越来越强大的超级计算机上改进计算，他们的解决方案也变得更加精确和全面。

其最终目标是对质子的结构产生三维理解。

“因此，我们了解到我们的工具在更简单的一维场景中确实有效。通过现在测试我们的方法，我们希望知道当我们想要进行 3D 结构时需要做什么，”理查兹说。“这项工作将有助于我们绘制质子的 3D 图像。所以现在最重要的是通过做这些简单的事情来找到问题的核心。”