科學家首次計算質子內部壓力：甚至比中子星更高

麻省理工學院的物理學家首次計算了質子內部的壓力分布。

　　新浪科技訊 北京時間2月28日消息，一項新研究發現，質子核心能承受的壓力遠遠高於中子星內部的壓力。

　　中子星是宇宙中密度最大的天體之一，能承受極大的壓力，以至於一茶匙的中子星物質就具有相當於15倍月球的質量。然而，物理學家發現，質子——構成宇宙中大部分可見物質的基本粒子——內部的壓力甚至比中子星更高。

　　麻省理工學院的物理學家首次計算了質子內部的壓力分布，發現質子具有一個高壓核心，其密度最大處能產生比中子星內部高得多的壓力。這個核心從質子的中心向外擠壓，而核心周圍的區域向內擠壓。這兩股壓力的競爭具有穩定質子整體結構的作用。

　　該研究的結果發表在2月22日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。這是物理學家首次通過考慮夸克和膠子（構成質子的基礎亞原子粒子）的相互作用，來計算質子的壓力分布。

　　「壓力是質子的一個基本特徵，我們目前對此知之甚少，」研究第一作者、麻省理工學院的物理學助理教授菲亞拉·沙納罕（Phiala Shanahan）說，「現在我們發現，位於質子中心的夸克和膠子會產生顯著的向外壓力，而越靠近邊緣，又存在一個限制性的壓力。有了這一結果，我們就有機會了解質子結構的全貌。」

　　菲亞拉·沙納罕與另一位作者、同為麻省理工學院物理學助理教授的威廉·德特莫爾德（William Detmold）共同完成了這項研究。他們都是麻省理工學院核科學實驗室的研究人員。

　　了不起的夸克

　　2018年5月，美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置的物理學家宣布，他們首次測量了質子的壓力分布，方法是將一束電子射向由氫構成的目標。這些電子會與目標中質子內部的夸克相互作用。接著，物理學家根據電子在目標中散布的方式，確定了整個質子的壓力分布。他們的測量結果顯示，質子內部存在一個高壓中心，其壓力最高點的壓強達到10^35帕斯卡，相當於中子星內部壓力的10倍。

　　然而，沙納罕表示，該研究對質子壓力的描述是不完整的。「他們發現了相當不可思議的結果，」沙納罕說，「但這一結果受制於一些重要的假設。由於認知並不全面，因此這些假設是必要的。」具體來說，研究人員是根據質子內部夸克之間的相互作用來估算壓力，但沒有考慮到膠子。質子由夸克和膠子構成，它們在質子內部會以動態和波動的方式持續相互作用。沙納罕表示，傑斐遜實驗室的研究團隊只是通過探測器確定了夸克的貢獻，但遺漏了質子壓力分布的很大一部分。

　　「在過去60年里，我們已經對夸克在質子結構中的作用有了很多了解，」沙納罕說，「但理解膠子結構則非常、非常困難，因為眾所周知，它非常難以測量和計算。」

　　膠子引起的變化

　　沙納罕和德特莫爾德並沒有使用粒子加速器來測量質子的壓力，而是通過超計算機來計算夸克和膠子之間的相互作用，從而了解膠子在質子壓力中扮演的角色。

　　「在質子內部，存在著一個量子空間，成對的夸克和反夸克在裡面翻騰，膠子也是一樣，它們不斷出現又不斷消失，」沙納罕說，「我們的計算包含了所有這些動態變化。」

　　為了做到這點，研究團隊使用了物理學中稱為「格點量子色動力學」（lattice QCD）的技術。量子色動力學（quantum chromodynamics，簡稱QCD）是一個描述夸克與膠子之間強相互作用的標準動力學理論。在標準模型中，強相互作用是粒子物理學中四種宇宙間基本作用力中最強的，它將夸克和膠子結合在一起，最終形成了質子。

　　格點量子色動力學計算使用了一個四維網格，其中的點代表了三維的空間和另外一維的時間。研究人員利用格點上定義的量子色動力學方程計算出了質子內部的壓力。「這要求非常大量的計算，因此我們使用了世界上最強大的超級計算機來完成這些計算，」沙納罕解釋道。

　　研究團隊花了大約18個月的時間，通過數台超級計算機運行各種夸克和膠子的參數，然後確定質子內部——從中心到邊緣——每個點的平均壓力。沙納罕和德特莫爾德發現，在考慮膠子的貢獻之後，質子的壓力分布相比傑斐遜實驗室的測量結果有了顯著的變化。

　　沙納罕說：「我們首次關注了膠子對質子壓力分布的貢獻，而且可以清楚地看到，相對於之前的結果，現在的峰值變得更強，壓力分布從質子中心向外進一步延伸。」換句話說，儘管質子內部的最高壓強仍然是在10^35帕斯卡左右，或者說是中子星的10倍，類似於傑斐遜實驗室研究人員測量的結果，但圍繞中心的低壓力區域延伸的範圍要比之前估計的更遠。

　　證實這些計算結果將需要更強大的探測器，比如呼聲很高的電子-離子對撞機（Electron-Ion Collider）。物理學家計劃利用這台粒子加速器來探測質子和中子的內部結構，了解膠子等亞原子粒子的更詳細信息。

　　「我們正處於定量理解膠子在質子內部如何作用的早期階段，」沙納罕說，「通過將實驗測量的夸克貢獻，與我們新計算的膠子貢獻結合起來，我們首次獲得了質子壓力分布的全貌。在未來十年內，新的對撞機將可以對這一結果進行驗證。」該研究部分得到了美國國家科學基金會和美國能源部的支持。（任天）

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！