自从五十多年前发现夸克以来，科研工作者一直在试图了解它们是什么，以及如何通过胶子束缚成质子。随后数十年，轻子束与质子的深度非弹性散射（DIS）实验已经对质子内胶子和夸克的动量分布进行了一维成像。这无疑非常重要，但许多结构特征是在这样的一维成像中是不可见的。比如，一维图像不能完全揭示夸克是否有轨道运动；或者质子的总自旋是如何从其内的胶子和夸克轨道角动量和自旋中构建的。今天，基于二十五年的理论发展，三维成像存在新的可能，有望为这些和其它基本问题提供答案。人们已经发展了一套数学方法，可以将快速移动的质子内的基本胶子和夸克的禁闭运动信息与横向动量依赖的部分子分布函数（TMDs）联系起来。TMDs可以揭示的内容包括，母质子内夸克的轨道运动；部分子动量和自旋之间的关联；以及由演生强子质量驱动的其它效应，如动力学手性对称性破缺和质子内夸克-夸克关联的产生。
半举 DIS提供了研究质子三维结构的强大工具，其中包括测量末态至少一种指定强子以及散射轻子（如图1所示）。极化半举DIS 中的自旋不对称性与TMDs的卷积通过碎裂函数关联，后者描述了给定的受激夸克发射特定强子的概率。
图1. 单介子半举深度非弹性散射反应运动学示意图
在具有纵向极化轻子束和非极化靶的半举DIS中已经观测到了相当大的单自旋不对称（SSAs）。这种束SSAs的反应截面被O抑制，这里M是质子质量而是光子虚度。在现有固定靶设施的能量特征下，O的贡献可能很重要，以使束 SSAs可观测。因此，人们可以罕见地获得有关质子内胶子和夸克之间关联、以及产生宇宙中绝大部分可观测质量的演生强子质量的信息。
美国杰斐逊实验室（JLab）的CLAS合作组最近在测量极化电子-质子散射的半举DIS时获得了目前最广泛的高精度束SSAs，并具有大范围的全微分多维运动学。与理论计算的比较（如图2所示）表明，这些数据有望区分存在矛盾的反应模型和效应。在当前理论背景下，人们看到了对演生强子质量和新信号敏感的分布函数在支持质子波函数中强关联关键作用方面的重要性。因此，将这些测量结果纳入全局拟合，并结合未来对非极化反应截面和极化靶自旋不对称性的测量，将通过描述自然界最自然的理论框架--相对论量子场论--为质子的三维结构提供深入的见解。
图2. 新多维数据与现有理论的比较。其中模型2提供了最好的描述，
揭示了演生强子质量相关现象对质子波函数的重要性
近日，这一新数据和分析在第一篇包含最新升级的杰斐逊实验室CLAS12探测器半举DIS数据的文章中进行了描述，并以"Multidimensional, high precision measurements of beam single spin asymmetries in semi-inclusive electroproduction off protons in the valence region"为题发表在《Physical Review Letter》<https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.062005 >.
CLAS合作组包含来自9个国家的50个机构，拥有约250名成员，是美国托马斯-杰斐逊国家加速器设施（世界领先的强子物理实验室）最大的实验合作组，也是核物理领域最大的国际合作组之一。Craig D. Roberts教授代表南京大学为这个非常成功的合作项目提供了理论指导（作者和单位顺序按 CLAS 合作组相关约定）。值得注意的是，这是第一次有南京大学学者参与这一合作组，因此也是第一次由南京大学学者定义此研究的理论范围。
该研究得到了南京大学高层次人才科研启动经费及国家自然科学基金重点项目的资助。