首次测量亚原子粒子力学性质揭露质子内部压力分布学术资讯

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在宇宙中，每个原子中的每个质子的内部都是一个类似于高压锅的环境，其压力比起中子星中心能破裂原子的压力有过之而无不及。这一结论来源于对亚原子粒子的力学性能——质子内部的压力分布——的第一次测量，该项实验由美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器研究所（Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的科学家们进行，他们将这一研究成果发表在5月16日的《自然》杂志上。他们发现，作为质子的基本构件，夸克在质子中心附近会受到1×10的35次方帕斯卡的压力，而这个压力大约是中子星中心压力的10倍。

该论文的作者之一、杰佛逊实验室B厅负责人沃尔克·巴克特（Volker Burkert）解释道：“我们发现，质子中心有一股非常强烈、方向朝外的压力，而在质子外围有一股微弱得多、范围更大、方向朝内的压力。”巴克特指出，质子内部的压力分布是由一股强大的力量所决定的，而就是这股力量把三个夸克结合在一起形成一个质子。他补充说：“我们的研究提供了一种手段来可视化质子内部强作用力的强度和分布，其结果阐明了质子内部强作用力的分布情况。这为未来核物理和粒子物理领域中的探索指引了一个全新的方向。

这种测量曾被认为是不可能完成的，它的实现得益于两个理论框架巧妙结合以及已有数据的辅助。一方面，广义部分子分布（generalized parton distribution，GPD）允许研究人员通过电磁力探测质子结构的三维图像。另一方面，质子的引力形状因子能让研究人员在利用引力探测质子时，呈现出质子的机械结构。在进行深虚康普顿散射（DVCS）的实验过程中，一个电子进入质子后，用一个虚光子替换了一个夸克，从而将能量传递给夸克和质子。不久之后，质子排出另一个光子时再释放出这些能量，并继续保持完好形态。这一过程类似于引力形状因子理论的鼻祖——海因茨·佩格尔斯（Heinz Pagels）为力图通过假设的重子束来探测质子引力而进行的计算。杰斐逊实验室的研究人员能够利用众所周知的电磁学和假想的引力学研究之间的相似性来得出结论。

杰斐逊实验室的工作人员、论文的合著者弗朗索瓦-泽维尔·吉洛（Francois-Xavier Girod）说：“有一个光子进来了，又有一个光子出去了。这一对光子是‘自旋-1’。而当我们用‘自旋-2’来替换一个引力子粒子时，我们也会得到同样的信息。所以现在，我们基本上可以（在这一实验中）进行在电磁实验过程中的做法，但是对象是代表质子内部机械结构的引力形状因子。”

研究人员说，下一步计划是将此技术应用在即将获得的更为精确的数据上，将会减少当前实验分析中的不确定性，并开始着手揭示无处不在的质子所具有的其它力学特点与性能，如其内部切力和质子的半径机械等等。

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编译：朱明逸审稿：alone 编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-05-subatomic-particle-mechanical-property-reveals.html