Если возникновение спина протона у кварков и глюонов загадочно, то почему спина атома серебра нет?

В недавней статье в журнале Scientific American была поднята старая проблема, а именно: согласно квантово-хромодинамическим моделям, появление ровно 1/2 единицы спина у протона (или нейтрона, или любой другой трехкварковой кварковой системы), по-видимому, довольно загадочно из-за неоднозначности того, как кварки, виртуальные кварки и глюоны.

Это напоминает простой вопрос, на который, я надеюсь, есть простой ответ: поскольку спин 1/2 атома серебра является результатом системы электронов и протонов, связанных фотонами, почему эта ситуация принципиально отличается (или это?) из множества кварков, связанных вместе глюонами?

Мое первое предположение состоит в том, что уровни энергии, участвующие в связывании кварков, достаточно высоки, чтобы вы потеряли асимптотическую простоту КЭД. Так что, если дело просто в том, что «КХД грязнее, если не знаешь», я думаю, что с этим все в порядке. Но даже в этом случае может показаться, что речь идет о степени, а не об абсолютах, и что атомы серебра все же должны страдать от подобной двусмысленности на гораздо более низком уровне.

Мое второе предположение состоит в том, что, поскольку глюоны несут цвет (аналогично фотонам, имеющим заряд), это добавляет некоторый фактор, который затрудняет игнорирование их вклада.

Инсайты, кто-нибудь? Вряд ли критическая проблема, но просто... интересная, по крайней мере, для меня.

Приложение от 25 мая 2015 г., 23:07 по восточному поясному времени, понедельник

Меня чрезвычайно раздражает необходимость сделать замечание о том, что атомы серебра, несмотря на их богатую историю, связанную с открытием странного полувращения фермионов... не являются фермионами.

Оба изотопа нейтрального серебра, 107 и 109, являются бозонами. Пара-версии с чистым ядерным спином, противоположным чистому спину электрона, являются бозонами со спином 0, а орто-версии с чистым ядерным спином, параллельным чистому спину электрона, являются бозонами со спином 1. Это потому, что и Ag-107, и Ag-109 имеют чистый ядерный спин 1 2 .

Насколько я могу себе представить, то, что на самом деле происходит с атомами серебра, проносящимися через аппарат Штерна-Герлаха, представляет собой геометрический эффект, когда внешний электрон серебра гораздо сильнее взаимодействует с градиентом магнитного поля, чем замкнутый ядерно-электронный композит + 1 заряд и чистый спин ± 1 2 . Геометрия, заключающая составной положительный фермион в пределах самой внешней орбитали электрона с нулевым орбитальным импульсом, по-видимому, настолько затмевает внутренний фермион, что в результате появляется фермионный атом серебра, вплоть до его причудливого разделения на две группы при прохождении через достаточно сильное магнитное поле. градиент.

Меня это раздражает, потому что я всегда предполагал, что ядро ​​серебра имеет четное число нуклонов, по крайней мере, в контексте Штерна-Герлаха. Мне буквально никогда не приходило в голову, что это может быть странно, поскольку это (как уже отмечалось) превращало бы атомы серебра в бозоны.

Итак: почему ни одно из распространенных описаний физики — по крайней мере те, которые я видел, включая, в частности, очень подробное обсуждение Фейнмана — не удосужились упомянуть этот довольно важный момент?

Это влияет на мой вопрос? Что ж, это, безусловно, имеет место, если проблема заключается в том, как вы измеряете спин, поскольку очевидно, что «видимость» спина для составного заряженного фермиона является сложной проблемой, которая в случае серебра в некоторых случаях может приближаться к нулю.

Но я думаю, что в более широком смысле во всем этом все еще есть интересный простой вопрос: если КМ всегда квантует спин, то КМ, независимо от вовлеченных сил связи, обязательно потребует, чтобы вовлеченные компоненты «выстраивались» соответствующим образом всякий раз, когда частица находится в ситуации. где его квантованный спин измерим. Если этот более общий вопрос «координации квантования QM сверху вниз» не будет хорошо понят и смоделирован, немного трудно представить, как восходящий взгляд на спин может быть когда-либо полным.

Не могли бы вы дать ссылку на статью (или, лучше, на некоторые документы по этому поводу)?
если вы погуглите «решетка qcd и вращение протона», вы увидите, что это активная область исследований.
Не связано ли это больше с тем фактом, что у вас нет четкого определения кварков в связанном состоянии? Например, протон состоит из сложного набора функций распределения партонов из-за смешивания ароматов и всего остального. В очень хорошем приближении атом серебра состоит из электронов и ядра. Аналогичное утверждение о протонах и кварках неверно — энергия связи намного больше масс составляющих их кварков.
посмотрите на уравнение 1 здесь int.washington.edu/talks/WorkShops/int_14_55W/People/Zhao_Y/… . Цель состоит в том, чтобы оправдать правило сумм, и, похоже, это все еще цель.
@ACuriousMind, онлайн-тизер статьи находится здесь: Scientificamerican.com/article/… Моя копия статьи представляла собой странную смесь металлических и органических селективных светопоглощающих соединений, размазанную по тонко сплющенным волокнам из, я думаю, крупной целлюлозы. богатые растения, которые вместе работают удивительно хорошо, имитируя веб-страницы. Должно быть, это какая-то новая технология, вроде крутая, но, увы, трудно поделиться через Интернет... :)
Что касается части II: слабое магнитное поле связано с полным угловым моментом в заданном направлении, а не с полным спином. Например, парные электроны со спином вверх и вниз компенсируются. Таким образом, вы, безусловно, правы в том, что эксперимент SG не измерял непосредственно общее вращение; Я не уверен, как это сделать простым способом, но это не потому, что общее вращение как-то плохо определено. Смотрите также: физика.stackexchange.com/questions /33021/…
@Rococo, я проголосовал за тебя и не изменю (честно говоря, никогда не пробовал), но я неправильно понял, что ты сказал. Спин — это квантованный угловой момент, поэтому вы не можете разделить их только что описанным способом. У вас могут быть разные магнитные моменты для данного спина, поскольку взаимосвязь между спином и распределением заряда может быть сложной. Это то, о чем я думал, что вы говорите, и я подозреваю, что именно поэтому с точки зрения магнитных полей атомы серебра больше похожи на фермионы, чем на бозоны, которыми они на самом деле являются. Геометрия имеет значение для комбинации вращения и заряда.
Привет, Терри. Я думаю, что мы оба говорим две разные вещи. С одной стороны, все электроны в серебре спарены на заполненных орбиталях, кроме одной, так что для всех, кроме одной из них, общий спин и орбитальный угловой момент вдоль заданного направления в сумме равны нулю. С другой стороны, в ядре есть дополнительные спины, но из-за крошечного гиромагнитного отношения ядер по сравнению с электронами этими вкладами можно пренебречь, делая единственным подходящим членом зеемановского расщепления член внешнего электрона.
И то, и другое является вескими причинами того, что измерение Штерна-Герлахта — плохой способ узнать полный спин атома.
@Rococo спасибо ... и да, SG - это (я теперь понимаю с опозданием) действительно ужасный способ узнать о вращении сети! Интересно, полностью ли Фейнман осознал это в своих довольно длинных мысленных экспериментах с ЗГ? Там он даже намека не дает на всю сложность дела с атомом серебра! И хотя я с готовностью соглашаюсь с прагматической изоляцией ядра — сверхплотного шарика в Суперкуполе почти идеального вакуума, — я все еще недавно заинтригован сложным взаимодействием между методом обнаружения квантованного углового момента и полного вращения. Я предполагаю, например, что атомы серебра могут образовывать бозе-конденсаты.

Ответы (2)

Энергия связи электронов в атоме серебра намного меньше, чем энергия покоя электрона, поэтому нет никакой двусмысленности в отношении числа электронов в атоме серебра. Это делает добавление вращений простым делом.

Напротив, объединенная масса двух верхних и одного нижнего кварков в протоне составляет около 10 МэВ (это точно не известно), но масса протона составляет около ГэВ. Итак, 99% того, что находится в протоне, — это не три кварка. Баланс состоит из бурлящей массы виртуальных частиц, каждая из которых способствует вращению протона. Стоит ли удивляться, что спин протона трудно рассчитать?

Спасибо, Джон, это также помогает мне понять, почему проблема беспокоит меня: не все ли виртуальные частицы в этой бурлящей массе также по определению спарены таким образом, что в конечном итоге точно нейтрализуют все свойства друг друга, включая вращение? Если так... хорошо, в чем именно проблема? Останутся только несбалансированные спины реальных частиц. Я должен упустить что-то тонкое? ...
@TerryBollinger: Мы думаем, что электроны в атомах распадаются на пары на атомных орбиталях. Однако это приближение игнорирует электронную корреляцию. Корреляция смешивает атомные орбитали, однако в атомах этот эффект относительно мал, потому что электроны относительно далеко друг от друга. В плотных сильно взаимодействующих системах корреляции настолько сильны, что нет отдельных орбиталей, которые можно заселить парами. Вы не можете просто соединить частицы и посмотреть, что осталось.
[1 из 3] На самом деле, даже в атомах серебра сильное силовое воздействие на спин нельзя полностью игнорировать, так как связанные сильным взаимодействием ядерные протоны и нейтроны добавляют больше 1 2 спины к сумме, чем электроны. Но ваше прекрасное замечание о более легкой взаимной изоляции электронных спинов, контролируемых КЭД, хорошо принято.
[2 из 3] Для барионов, если положительный вектор спина совпадает с координатной осью, такой как г , сохранение углового момента в сочетании с квантованием спина допускает только два возможных исхода вращения, например ты ты г → { + 1 2 ( п ) , + 3 2 ( Δ + ) } . Чтобы смоделировать эффект этого спинового квантования на барионном уровне, вам нужно проследить его коэрцитивный эффект вплоть до кварков, где он обязательно заставит три спина кварков «выстроиться» точно (и только) в определенный момент. когда производится измерение спина всего протона. Это не КХД, это КМ.
[3 из 3] В статье SciAm утверждается, что эксперименты показали, что кварки вносят только «30 процентов» от общего количества п вращение 1 2 . Это кажется странным, поскольку звучит так, будто эксперименты измеряют спины отдельных кварков. Это не обязательно будет составлять 1 2 , так как при отдельном измерении спинов кварков должны исчезнуть коэрцитивные эффекты измерения спина на барионном уровне. Если бы вы раздельно измерили спины протона и электрона в пара-водороде с помощью зондов меньшего размера, чем атомы, я сомневаюсь, что они в сумме дали бы спин. 0 . Этот эксперимент когда-нибудь проводился?

Поясним, что проблема

Если возникновение спина протона у кварков и глюонов загадочно, то почему спина атома серебра нет?

является проблемой моделирования. Спин как протона, так и атома серебра измеряется и известен для их идентификации.

Ответ Джона охватывает это, энергия, переносимая виртуальными кварками и глюонами внутри протона, намного больше, чем энергии, переносимые виртуальными протонами-нейтронами в ядре серебра, и в большей степени энергия виртуальных электронов и фотонов, которыми они обмениваются между собой и с ядро. Это означает, что приближение центральной потенциальной ямы будет работать в первом порядке для нуклонов и атомов, и это делает моделирование как ядра, так и атома серебра успешным, т.е. соответствующим наблюдениям. Это неверно для взаимодействий внутри протона, для его моделирования нельзя придумать центральную потенциальную яму.

Моделирование взаимодействий КХД не может быть сведено к такой упрощенной модели, а «загадочность» просто отражает сложность необходимых математических инструментов и наблюдений, необходимых для объяснения того, как в рамках модели КХД возникает спин. Вот разговор , сделанный некоторое время назад, но он создает проблемы. Как видно здесь, это текущий предмет исследований как теоретических, так и экспериментальных. .

Мне нравится ваш акцент на том, что это проблема моделирования (моделирование? США против Великобритании?).
моделирование не краснеет ни при проверке словаря, ни при моделировании; см. двойные согласные en.wikipedia.org/wiki/…
Если возникновение спина протона у кварков и глюонов загадочно, то почему спина атома серебра нет?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v