近日，由beat365、山東大學、中國科學院近代物理研究所等單位的學者組成的橫向核子層析合作組在質子自旋結構研究領域取得突破性進展。研究團隊通過量子色動力學（QCD）橫動量依賴因子化理論框架，結合次領頭階（NLO）微擾計算與次次領頭對數（NNLL）重求和技術，對全球半單舉深度非彈性散射（SIDIS）實驗數據進行了系統性分析，首次成功提取了質子内部橫動量依賴的螺旋度分布函數。相關成果以“首次提取橫動量依賴的螺旋度分布”（First Extraction of Transverse-Momentum Dependent Helicity Distributions）為題發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。
質子自旋結構的精确測量是粒子物理領域的核心科學問題之一。自 1988 年歐洲 μ 子實驗組發現誇克自旋僅貢獻質子總自旋約 30% 以來，剩餘自旋來源成為困擾學界的“質子自旋危機”。此次研究通過構建三維動量空間的誇克螺旋度分布模型，首次揭示了上誇克和下誇克在中等縱向動量分數（x≈0.1-0.3）區域的顯著非零極化信号，其橫動量積分結果與共線螺旋度分布理論預測高度吻合。特别值得注意的是，研究發現價誇克極化度随橫動量增加呈現規律性衰減，這一現象直接驗證了我國學者馬伯強教授于 1991 年提出的 Melosh-Wigner 轉動理論 —— 誇克橫向運動引發的相對論性自旋轉動效應是導緻質子自旋“丢失”的關鍵機制。
在海誇克主導的低 x 區域（x<0.1），研究觀測到誇克極化度随橫動量增加呈現反常上升趨勢，這一現象暗示該區域可能存在未被認知的強相互作用動力學機制。研究團隊基于中國極化電子離子對撞機（EicC）的模拟研究表明，當對撞能量提升至 20GeV 時，實驗精度将提高一個數量級以上，為解析海誇克區域複雜的三維自旋結構提供了可行方案。
圖1. 三維螺旋度分布的切片圖，依次為上誇克螺旋度分布、下誇克的螺旋度分布、三種海誇克的螺旋度分布，膠子的螺旋度分布。
該研究采用的理論框架融合了量子場論與數值模拟技術，通過構建包含橫動量依賴效應的全局拟合模型，以“理論計算+數據拟合”的研究模式，如同高精度 CT 掃描質子内部構造，成功區分了價誇克、海誇克與膠子的不同貢獻。研究團隊開發的 TMD 函數庫已形成包含 Sivers 函數、橫向極化分布函數（transversity）、橫縱度分布函數（trans-helicity）等多維度的核子三維成像體系。這次對橫動量依賴的螺旋度分布函數的首次提取不僅是在深入理解質子三維自旋結構邁出的關鍵一步，還為未來國際大科學裝置的實驗設計提供了重要理論支撐。
圖2. 質子中誇克極化度的橫向分布示意圖。
橫向核子層析合作組自 2022 年起持續推進質子三維結構研究，此前已完成 Sivers 分布函數、橫向極化分布函數與橫縱度分布函數的系統性分析。本次研究為解決“質子自旋危機”提供了關鍵實驗證據，更通過多學科交叉創新開辟了強子物理研究的新模式。随着 EicC 等下一代大科學裝置的建成，人類有望在未來十年内實現質子自旋結構的全景式重構，這一突破或将深刻改變我們對物質基本構成的認知，并為新型技術研發提供理論基礎。
論文第一作者為beat365官方网站博士研究生楊科，通訊作者包括山東大學劉天博教授、中國科學院近代物理研究所孫鵬研究員與趙宇翔研究員，以及beat365官方网站馬伯強教授。研究工作得到國家自然科學基金等項目的資助。
論文原文鍊接
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.121902
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