Для современной физики, несмотря на всю свою простоту, вопрос – чему равен спин протона, считается трудным. Если вы откроете учебник по квантовой физике, или ту же самую википедию, то прочтёте там, что спин это внутренняя квантовая характеристика любой элементарной частицы. Вектор спина определяет ориентацию частицы в пространстве. При этом физический смысл спина необъясним в терминах релятивисткой теории. Релятивистская необъяснимость спина обусловлена тем, что по сути спин это момент импульса элементарной частицы, возникающий в результате её вращения вокруг своей оси. Однако элементарные расчёты такого вращения дают угловую скорость, превышающую скорость света. Так как превышение скорости света запрещено вторым постулатом СТО, квантовая механика вынуждена де-юре отрицать вращение элементарных частиц, а де-факто декларировать такое свойство этих частиц как спин, которое, по сути, ничем не отличается от собственного момента вращения. Согласно квантовой теории спин может принимать только целые или полуцелые значения в единицах постоянной Дирака ђ=h/2П (S=1/2; 1; 3/2; 2 … ). Физический смысл этих значений спина достаточно прост, любая элементарная частица, будучи повёрнутой из исходного состояния относительно некой оси симметрии на 360/S будет неотличима сама от себя в исходном состоянии. Теорема Вольфгана Паули о статистической зависимости спина элементарных частиц утверждает, что частицы с целым спином (S=0; 1; 2 …) являются бозонами, а частицы с полуцелыми спинами (S=1/2; 3/2 …) – фермионами. В целом стандартная модель относит протон, состоящий из двух верхних и одного нижнего кварков, к фермионам. При этом каждый кварк имеет спин 1/2.
Так как направления векторов спинов у нижнего и верхних кварков противоположны, то спин протона, определяемый как сумма спинов трёх своих составных частей, также равен 1/2.
Вроде бы, такая незамысловатая «бухгалтерия» суммарного спина протона, рассчитанная в рамках стандартной модели, не оставляет никаких вопросов. Теоретически всё просто и понятно. Однако вопросы появились сразу же после проведения экспериментов, призванных подтвердить данную теоретическую модель. В 1988 году международная группа учёных в ЦЕРНе провела серию измерений спиновых характеристик мюон-протонной плазмы и на основании этих измерений была вычислена величина среднего спина кварков в протоне. Так вот, этот усреднённый спин оказался намного меньше значения 1/2. Более того, первоначальные данные измерений, без специальной обработки, а если называть вещи своими именами, то без подгонки под нужный результат, вообще давали нулевой спин кварков в составе протона. Немного перефразируя известного советского спортивного комментатора, физики-теоретики могут повторить вслед за ним - «такие эксперименты нам не нужны». Собственно эти эксперименты и спровоцировали кризис протонного спина (proton skin crisis) в теоретической ядерной физике. Многочисленные повторения этих измерений другими командами учёных не дали никаких принципиально новых результатов. На сегодняшний день более-менее надёжно удалось обнаружить приблизительно 1/3 (одну третью) величины теоретического спина протона, а две третьих упорно скрываются от исследователей. Причём совершенно непонятно где их искать, так как, несмотря на достаточно большие погрешности измерений, списать пропажу протонного спина только на инструментальные погрешности не получается. Измерения были повторены многими лабораториями мира и дали примерно одинаковый результат. При этом те же самые инструменты при проведении других исследований дают результаты, достаточно надёжно согласующиеся с теоретическими моделями. Сейчас основные надежды физиков связаны с измерением вклада глюонов в спин протона. Эта принципиально новая идея, озвученная группой учёных, поставивших эксперимент по столкновению «поляризованных» протонов на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории США. Предложенная теоретическая модель разрешает виртуальным безмассовым частицам – глюонам, влиять на спин протона. Так как глюоны обладают целым спином (S=1) и их количество в составе протона теоретически определено как «очень много», то суммарный вектор спина протона может быть сложен из спинов 3-х кварков и «бесконечного» количества спинов глюонов. Один из авторов этой идеи Даниель Де Флориан из университета Буэнос-Айреса так прокомментировал результаты эксперимента в Брукхейвенской лаборатории:
“Анализ данных, полученных в ходе этого эксперимента, показал, что поляризация глюонов ненулевая; глюоны поляризованы. В принципе, они могут быть ответственны за остаток спина протона. Но неопределённость крайне высока”.
С моей точки зрения, попытка найти потерявшийся спин протона с помощью безмассовых виртуальных частиц напоминает усилия барона Мюнхгаузена по вытаскиванию самого себя из болота за волосы. Звучит красиво, но на практике абсолютно нереализуемо. Проблема или кризис спина протона кроется в принципиально не правильной модели строения протонов и нуклонов в целом, а не в ошибках подсчёта баланса спинов их составных частей – кварков и глюонов. На ошибочность общепринятой модели нуклонов чётко указывает их аномальный магнитный момент. Согласно уравнениям Дирака частицы со спином 1/2 должны обладать магнитным моментом, равным одному магнетону Бора. Однако из многочисленных измерений хорошо известно, что магнитный дипольный момент протона равен 2,79m, а нейтрона – минус 1,9m. Такие аномальные величины магнитных моментов нуклонов однозначно свидетельствуют об их сложной внутренней структуре. Т.е. внутри них должны существовать многочисленные электрические заряды, создающие этот «аномальный» магнитный момент. Верхние и нижние кварки с их дробными величинами электрических зарядов (+2/3 и -1/3) просто не способны породить магнитные моменты, реально фиксируемые у протона и нейтрона. Грубо говоря, внутри протонов и нейтронов должен протекать электрический ток, если под током понимать классическое упорядоченное движение заряженных частиц. Стандартная модель не предусматривает возможность упорядоченного движения заряженных частиц в составе нуклонов. Да и сами заряженные частицы (кварки) в составе нуклонов даже с большой натяжкой не могут быть причислены к носителям электрических зарядов, так как абсолютные значения их электрических зарядов меньше 1 электрона. Ровно по этой причине Стандартная модель не способна дать адекватное толкование, как магнитному дипольному моменту, так и измеряемому значению спина протона. По сути, аномальный спин протона, это ещё одна дыра в стене Стандартной модели.
PS На моём канале уже размещены несколько статей с описанием модели нуклонов, состоящих из электронов и позитронов, а не из кварков. Поэтому я не стал повторять в этой статье описание такой модели. Желающие могут познакомиться с такой моделью здесь или здесь.