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质子具有恒定的自旋，这是一种固有的粒子属性，类似于质量或电荷。然而，这种自旋来自哪里是一个谜，因此被称为“质子自旋危机”。最初，物理学家认为质子的自旋是其三个组成夸克的自旋之和。但1987年的一项实验表明，夸克只能解释质子自旋的一小部分，从而引发了其余部分来自哪里的问题。质子内部的夸克通过胶子结合在一起，因此科学家们认为它们可能贡献了自旋。现在，两项研究分析了位于纽约州阿普顿布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）内部的质子碰撞结果，为这一想法提供了支持。
物理学家经常将自旋解释为粒子的旋转，但这种描述更多是比喻而非字面意义。事实上，自旋是一个无法用经典术语描述的量子量。正如质子并非真的是一个微小的弹珠，而是一堆不断出现和消失的幽灵粒子，其自旋也是一种复杂的概率属性。然而，它始终等于二分之一。
夸克也具有二分之一的自旋。物理学家最初认为，质子三个夸克中的两个总是以相反的方向旋转，彼此抵消，剩下二分之一作为质子的总自旋。“那是25年前幼稚的想法，” 布宜诺斯艾利斯大学的丹尼尔·德·弗洛里安说，他是新论文之一的负责人，该论文于7月2日发表在《物理评论快报》上。“到80年代末，有可能测量夸克的自旋对质子自旋的贡献，第一次测量显示它是0%。这是一个非常大的惊喜。” 后来的测量实际上表明，夸克可以贡献高达质子总自旋的25%，但这仍然使大部分无法解释。
胶子也存在于质子内部，作为强核力的代表，强核力是一种将夸克结合在一起的基本相互作用。胶子各自具有1的自旋，根据方向，它们可以加起来构成质子自旋的剩余部分。测量它们的贡献是一项棘手的任务。RHIC是唯一可以解决这个问题的实验，因为它是唯一一台旨在碰撞“自旋极化”质子的粒子加速器，这意味着粒子在碰撞时都朝某个方向旋转。（在瑞士更强大的大型强子对撞机中，粒子的自旋不对齐。）
当两个质子猛烈碰撞时，它们的相互作用受强力控制，因此胶子密切参与其中。如果胶子自旋是质子自旋的重要组成部分，那么碰撞质子自旋的方向应该会影响结果。科学家们预计，自旋对齐的两个质子之间的碰撞发生的频率与自旋方向相反的质子之间的碰撞发生的频率不同。根据RHIC的最新数据，确实存在差异。“如果没有首选位置，差异将恰好为零，” 牛津大学物理学家胡安·罗霍说，他是所谓的NNPDF合作组织的成员，该组织撰写了第二篇论文，该论文已提交给《核物理B》。“由于不对称性不为零，这告诉我们自旋的分布并非微不足道。” 罗霍的团队计算出，胶子可能贡献了大约夸克对质子自旋贡献的一半。德·弗洛里安和他的同事分析了来自RHIC的相同数据，但使用了不同的数学分析来计算胶子的贡献。他们还发现，胶子自旋必须显著参与其中。“这些数据首次表明胶子极化实际上是非零的；我们看到胶子是极化的，”德·弗洛里安说。“基本上，它们可能对质子自旋的其余部分负责，但不确定性非常大。”
两个团队都表示，他们的工作仅仅是开始探索胶子如何影响质子自旋的征程。为了确定，需要进行更大规模的实验。他们说，最好的候选者是拟议中的电子-离子对撞机，该对撞机可以在布鲁克海文建造。这台机器将以比RHIC更高的能量碰撞极化质子，并且可以探测更高能量胶子对质子自旋的贡献，而不是当前数据所做的相对较低能量范围。
如果胶子自旋不能提供缺失的质子自旋的平衡，那么其余部分可能来自夸克和胶子在质子内部围绕运动的轨道角动量。正如地球绕自身轴旋转并绕太阳公转一样，夸克和胶子除了自身的内部自旋外，还具有来自它们围绕质子中心运动的角动量。麻省理工学院物理学家罗伯特·贾菲说，他没有参与这项研究，问题是这些元素中的每一个对总自旋贡献了多少。他补充说：“测量胶子对质子自旋的贡献是回答这个问题的一个步骤——一个重要的步骤。”
解决质子自旋危机不仅对于理解自旋至关重要，而且对于了解质子和许多其他粒子的质量来源至关重要。最近发现的希格斯玻色子通常被认为是赋予所有其他粒子质量的原因。罗霍说，这是事实，但并非全部真相。除了希格斯机制外，还有另一个过程在起作用，赋予质子质量。这个过程与禁闭有关——夸克和胶子总是被禁闭在其他粒子（如质子）内部，而从不单独存在的原因。禁闭的动力学也影响夸克和胶子的自旋极化。“现代理论物理学中最突出的问题之一是理解禁闭，”罗霍说。“我们对夸克和胶子的极化分布了解得越好，我们就越接近理解禁闭。有了我们的数据，我们就有了禁闭的潜在机制，并最终了解了质子的质量来源。”