質子內部可能是宇宙中最極端的環境

質子內部的環境是什麼？即使是最有科學頭腦的人也不可能考慮到這樣的前景。一組物理學家最近測量了可以在那裡找到的壓力，結果令人震驚。據《新科學家》報道，粒子的中心承受了馬里亞納海溝底部壓力的十億億倍，弗吉尼亞州托馬斯傑佛遜國家加速器基金會的研究人員做出了這一發現。研究合著者物理學家Volker Burkert說：這真的是我們所見過的最高壓力，研究成果發表在《自然》期刊上。

質子，圖片：Shutterstock

你可能記得質子是帶正電荷的，也是量子世界中的基本粒子之一。它們可以在原子核中找到，它們本身由較小的粒子組成，包括夸克和膠子。夸克帶電並且非常群居。然而它們從來沒有被發現自己脫離，因為膠子應用了使它們保持在一起的力。質子是最穩定的粒子之一，它有助於保持宇宙的穩定，並為其所有（包括我們）提供足夠好的地方。

量子力學中最大的問題之一是：質子如此穩定的原因是什麼？事實證明，這是兩個激烈力之間的平衡。質子內部面向外的壓力約為10 ^ 35帕斯卡（Pa），比中子星內力的強10倍。中子星是城市大小的天體，質量是太陽的1.4倍。，曾經是巨大的恆星，以超新星結束，然後坍縮成一個小而緻密的核心。這是宇宙中最密集的天體之一，而質子內的力甚至比它強大！此前，科學家猜測質子可能包含巨大的壓力。然而，這是第一次被證明。

中子星演變成超新星的概念圖。圖片：NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair, Wikipedia Commons.

那麼他們是如何測量這麼小的內部壓力呢？這一切都始於Burket和他在CLAS工作的同事：傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設施大型驗收光譜儀。這發出了一能量束（60億電子伏特），他們將光束射入充滿質子的液氮中。然後檢測亞原子水平情況。當物理學家將電子束瞄準並直接射入質子時，光束就像一個光子一樣從一個夸克中反射出來，並在那裡被吸收。結果夸克釋放了一個隨後的光子。

研究人員測量了原始電子，它吸收的光子以及釋放的光子。通過評估每個粒子的碰撞和動量，他們能夠理解質子內部的一切。從那裡可以製作一個包含在其核心內的夸克3D圖。但那並不能告訴我們那裡有什麼樣的力。要做到這一點，要做到這一點，物理學家們必須找到引力子：即賦予物體引力的粒子。然而,沒有被發現。

由於「缺乏」引力子，研究人員研究了實驗中出現的兩個光子。根據Burket，這些光子一個最初吸收，另一個在碰撞後發射，等於一個引力子。人們會認為可以測量膠子的力。但即使是CLAS也無法做到這一點。需要更多的能量。因此質子目前無法完全檢查。這是2015年的一次實驗，但新的評估技術使物理學家能夠更全面地審查數據，並梳理出質子內部壓力的近似估計。

我們似乎忘記了這些力也一直在我們體內。圖片：Finches & quarks, Wikipedia Commons.

物理學家還發現質子外部的力很可能是由膠子引起，以抵消從質子內部向外推動的力，使粒子保持穩定。如果內在力讓位，質子會爆炸。科學家說：一種粒子加速器電子（對撞機正在開發中）應該能讓我們更好地了解膠子是如何將質子凝聚在一起。

博科園-科學科普｜文：PHILIP PERRY/big hink

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