Physics 版 (精华区)

发信人: FDTD (放荡*坦荡), 信区: Physics
标  题: How the Proton Got its Spin 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年08月30日14:26:43 星期六), 站内信件


X. Ji, A. Belitsky, F. Yuan/Univ. of Maryland 

Quarks on Display. 

A new theoretical analysis provides images of the most 
probable locations within a proton of quarks with some specified value of 
momentum. Here, quarks with small momenta in the vertical direction occupy a 
double-cone-shaped region. 

Figure

Inside protons are quarks. Experiments can't reveal them directly, but 
somehow the behavior of these internal constituents generates a proton's 
properties. Making that connection, however, is no easy matter. A theoretical 
paper in the 8 August PRL illuminates the proton's interior by turning an 
esoteric mathematical description of quarks into a visual form. The pictures 
provide tangible detail on how internal dynamics contribute to the proton's 
spin.

When the quark picture first emerged in the 1960s, physicists assumed that 
the three quarks inside a proton each move in a spherically symmetric 
fashion, creating an object that in many respects acts like a little ball. 
According to this view, the observed spin of the proton arises simply from 
the intrinsic spins of the quarks. In the late 1980s, however, experimental 
evidence began to show that much of a proton's spin comes from so-called 
orbital motion of the quarks relative to each other, rather than from their 
individual spins. In addition, it became apparent that quark-antiquark pairs 
and other particles continually flit in and out of existence inside a proton, 
all influencing the proton's characteristics.

In 1996, Xiangdong Ji of the University of Maryland in College Park 
introduced a mathematical tool that he called the Generalized Parton 
Distribution (GPD) and used it to relate experimental data to the 
configuration of particles inside a proton. But the GPD, he says, is 
"abstract [and] hard to understand" in an intuitive way. As a tool to explore 
the origin of proton spin, he adds, it "seemed to be far more complicated 
than necessary."

To understand Ji's new way of depicting the internal structure of a proton, 
recall the behavior of quantum particles. An electron in a hydrogen atom, for 
example, is often represented by an "electron cloud" image. The 
dumbbell-shaped "p-orbitals" of a hydrogen atom show where the electron is 
most likely to be if the atom is prepared in the quantum state called p. 
Similarly, quarks within a proton are quantum particles occupying some volume 
of space rather than a specific location. Because of the uncertainty 
principle, a quark's momentum is likewise "fuzzy."

Ji's latest trick turns his mathematical GPDs into images that look something 
like orbital diagrams for a hydrogen atom. He calls them "color filters" 
because they pick out only the quark motion at a certain momentum, just as a 
filter in photography shows the scene at a certain color of light. To 
understand this filtering, think of cars moving in or out of a city during 
rush hour, Ji suggests. If you look at all cars together, you will see a 
roughly uniform pattern, but if you image only those vehicles moving north at 
30 miles per hour, say, a handful of distinct streets will stand out.

Each of Ji's filter images gives a picture of the most likely locations of 
quarks if one only observes at a specific value of momentum. The pictures 
show that quarks with some particular momentum do not necessarily occupy a 
spherically symmetric region. Adding up the pictures from all quark momenta 
does give an exactly spherical distribution. But the non-spherical shapes of 
some of the pictures show that quark motion is not entirely random--it 
depends on location. In general, says Ji, such a connection between quark 
momentum and position implies an overall rotation of the quarks around one 
another, which we observe as proton spin.

Ji's latest work is "a real step forward," says Tim Londergan of the Indiana 
University in Bloomington. By giving a direct idea of quark location, he 
says, Ji's methods can give physical meaning to mathematical concepts that 
are not easy to interpret.

--David Lindley
David Lindley is a freelance science writer in Alexandria, Virginia.

Viewing the Proton through Color Filters 
Xiangdong Ji 
Phys. Rev. Lett. 91, 062001 
(issue of 8 August 2003) 
 
 
 
 
--
我要离开尘世的喧嚣,漂流到宇宙的彼岸,

去用心聆听苍穹深处最美妙的音符.

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.247.106]