Pierwotnie zakładano, że za spin protonu odpowiadają tworzące go składniki, czyli kwarki. Sytuacja się jednak skomplikowała, gdy naukowcom udało się ustalić, że akurat kwarki mogą odpowiadać za co najwyżej 30 procent całkowitego spinu protonu, a reszta musi pochodzić z innego źródła. Owe źródła jednak były niezwykle trudne do zmierzenia.
W najnowszym artykule naukowym zespół fizyków jądrowych opisuje sposób, w jaki udało mu się dojść do właściwego opisu źródła tej niezwykle istotnej własności protonu.
Aby dotrzeć do właściwego opisu cząstki, naukowcy musieli połączyć ze sobą dane eksperymentalne oraz najnowocześniejsze metody obliczeniowe. Wcześniej, otrzymanie tak precyzyjnych wyników było praktycznie niemożliwe.
Skąd zatem bierze się spin protonu?
Wkład, jaki wnoszą kwarki, jest bezapelacyjny. Drugą składową jest oddziaływanie silne, jedna z podstawowych oddziaływań we wszechświecie, która wiąże ze sobą kwarki właśnie w protony i neutrony. Oddziaływanie silne przejawia się w postaci gluonów i to one niejako „dokładają się” do spinu protonu. Trzecią składową natomiast jest bezustanny ruch zarówno kwarków, jak i gluonów.
Droga do ustalenia takiego stanu rzeczy była niezwykle trudna i wyboista. Jakiś czas temu naukowcy korzystający z Relatywistycznego Zderzacza Ciężkich Jonów w Nowym Jorku starali się eksperymentalnie potwierdzić, że gluony obdarzone są własnym spinem. Eksperymenty te faktycznie wykazały, że gluony mogą stanowić część rozwiązania zagadki spinu protonu. Problem jednak w tym, że im bardziej naukowcy udoskonalali metody analityczne, tym wyraźniej było widać, że w wynikach widoczny jest nie jeden, a dwa zestawy wartości całkowicie różnych od siebie.
Pierwsze wyniki faktycznie wskazywały, że spin gluonów niejako wzmacnia spin protonu. W toku badań okazało się jednak, że ma on udział ujemny. W tym przypadku wniosek był prosty: spin protonu musi pochodzić z samego spinu kwarków lub z ruchu kwarków i gluonów. Spin gluonów bowiem niejako osłabiał całkowity spin protonów.
W tym czasie, gdy jeden zespół prowadził badania eksperymentalne, inny zajął się teorią.
Tak się jednak składało, że w tym samym czasie, w którym badacze prowadzili eksperymenty w Zderzaczu Ciężkich Jonów, zupełnie inny zespół wykorzystywał superkomputery do teoretycznych obliczeń interakcji zachodzących między kwarkami i gluonami w oparciu o obecną wiedzę z zakresu chromodynamiki kwantowej.
Połączenie wyników obu tych badań, zarówno eksperymentalnych, jak i teoretycznych pozwoliło stworzyć niejako pełen obraz naszej aktualnej wiedzy o spinach kwarków i gluonów i ich wkładzie do spinu protonu.
To wbrew pozorom jednak jeszcze nie jest koniec prac nad tym zagadnieniem. Badacze nadal zbierają dane eksperymentalne. Im więcej ich będzie, tym bardziej precyzyjne informacje będzie można w ten sposób uzyskać. To samo zresztą dotyczy wzrostu szczegółowości obliczeń prowadzonych na superkomputerach. Celem dalekosiężnym tych wszystkich wysiłków jest stworzenie trójwymiarowego modelu struktury protonu. Na razie wyniki dotyczą scenariusza jednowymiarowego, ale na horyzoncie znajduje się model trójwymiarowy, ku któremu powoli, ale stale zmierzamy.