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質子具有恆定的自旋，這是一種固有的粒子屬性，類似於質量或電荷。然而，這種自旋來自哪裡是一個謎，因此被稱為“質子自旋危機”。最初，物理學家認為質子的自旋是其三個組成夸克的自旋之和。但1987年的一項實驗表明，夸克只能解釋質子自旋的一小部分，從而引發了其餘部分來自哪裡的問題。質子內部的夸克透過膠子結合在一起，因此科學家們認為它們可能貢獻了自旋。現在，兩項研究分析了位於紐約州阿普頓布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）內部的質子碰撞結果，為這一想法提供了支援。
物理學家經常將自旋解釋為粒子的旋轉，但這種描述更多是比喻而非字面意義。事實上，自旋是一個無法用經典術語描述的量子量。正如質子並非真的是一個微小的彈珠，而是一堆不斷出現和消失的幽靈粒子，其自旋也是一種複雜的機率屬性。然而，它始終等於二分之一。
夸克也具有二分之一的自旋。物理學家最初認為，質子三個夸克中的兩個總是以相反的方向旋轉，彼此抵消，剩下二分之一作為質子的總自旋。“那是25年前幼稚的想法，” 布宜諾斯艾利斯大學的丹尼爾·德·弗洛裡安說，他是新論文之一的負責人，該論文於7月2日發表在《物理評論快報》上。“到80年代末，有可能測量夸克的自旋對質子自旋的貢獻，第一次測量顯示它是0%。這是一個非常大的驚喜。” 後來的測量實際上表明，夸克可以貢獻高達質子總自旋的25%，但這仍然使大部分無法解釋。
膠子也存在於質子內部，作為強核力的代表，強核力是一種將夸克結合在一起的基本相互作用。膠子各自具有1的自旋，根據方向，它們可以加起來構成質子自旋的剩餘部分。測量它們的貢獻是一項棘手的任務。RHIC是唯一可以解決這個問題的實驗，因為它是唯一一臺旨在碰撞“自旋極化”質子的粒子加速器，這意味著粒子在碰撞時都朝某個方向旋轉。（在瑞士更強大的大型強子對撞機中，粒子的自旋不對齊。）
當兩個質子猛烈碰撞時，它們的相互作用受強力控制，因此膠子密切參與其中。如果膠子自旋是質子自旋的重要組成部分，那麼碰撞質子自旋的方向應該會影響結果。科學家們預計，自旋對齊的兩個質子之間的碰撞發生的頻率與自旋方向相反的質子之間的碰撞發生的頻率不同。根據RHIC的最新資料，確實存在差異。“如果沒有首選位置，差異將恰好為零，” 牛津大學物理學家胡安·羅霍說，他是所謂的NNPDF合作組織的成員，該組織撰寫了第二篇論文，該論文已提交給《核物理B》。“由於不對稱性不為零，這告訴我們自旋的分佈並非微不足道。” 羅霍的團隊計算出，膠子可能貢獻了大約夸克對質子自旋貢獻的一半。德·弗洛裡安和他的同事分析了來自RHIC的相同資料，但使用了不同的數學分析來計算膠子的貢獻。他們還發現，膠子自旋必須顯著參與其中。“這些資料首次表明膠子極化實際上是非零的；我們看到膠子是極化的，”德·弗洛裡安說。“基本上，它們可能對質子自旋的其餘部分負責，但不確定性非常大。”
兩個團隊都表示，他們的工作僅僅是開始探索膠子如何影響質子自旋的征程。為了確定，需要進行更大規模的實驗。他們說，最好的候選者是擬議中的電子-離子對撞機，該對撞機可以在布魯克海文建造。這臺機器將以比RHIC更高的能量碰撞極化質子，並且可以探測更高能量膠子對質子自旋的貢獻，而不是當前資料所做的相對較低能量範圍。
如果膠子自旋不能提供缺失的質子自旋的平衡，那麼其餘部分可能來自誇克和膠子在質子內部圍繞運動的軌道角動量。正如地球繞自身軸旋轉並繞太陽公轉一樣，夸克和膠子除了自身的內部自旋外，還具有來自它們圍繞質子中心運動的角動量。麻省理工學院物理學家羅伯特·賈菲說，他沒有參與這項研究，問題是這些元素中的每一個對總自旋貢獻了多少。他補充說：“測量膠子對質子自旋的貢獻是回答這個問題的一個步驟——一個重要的步驟。”
解決質子自旋危機不僅對於理解自旋至關重要，而且對於瞭解質子和許多其他粒子的質量來源至關重要。最近發現的希格斯玻色子通常被認為是賦予所有其他粒子質量的原因。羅霍說，這是事實，但並非全部真相。除了希格斯機制外，還有另一個過程在起作用，賦予質子質量。這個過程與禁閉有關——夸克和膠子總是被禁閉在其他粒子（如質子）內部，而從不單獨存在的原因。禁閉的動力學也影響夸克和膠子的自旋極化。“現代理論物理學中最突出的問題之一是理解禁閉，”羅霍說。“我們對夸克和膠子的極化分佈瞭解得越好，我們就越接近理解禁閉。有了我們的資料，我們就有了禁閉的潛在機制，並最終了解了質子的質量來源。”