博科園：本文為物理學類

中子星是宇宙中已知密度最大的天體之一，承受著巨大的壓力，一茶匙的中子星物質重量大約相當於月球的15倍。然而事實證明，質子（構成宇宙中大部分可見物質的基本粒子）所含的壓力甚至更高。麻省理工學院的物理學家們首次計算出了質子的壓力分布，並發現該粒子包含一個高壓核心，在其強度最大的時刻，產生的壓力比中子星內部產生的壓力還要大。這個核從質子中心向外推，而周圍的區域向內推（想像一個棒球試圖在一個正在坍塌的足球里膨脹）相互競爭的壓力作用於穩定質子的整體結構。

博科園-科學科普：物理學家們2019年2月22日發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的結果，代表了科學家們首次通過夸克和膠子(質子的基本亞原子成分)的貢獻來計算質子壓力分布。該研究的第一作者、麻省理工學院(MIT)物理學助理教授菲亞拉·沙納罕(Phiala Shanahan)說：壓力是質子的一個基本方面，目前我們對它知之甚少，現在我們發現質子中心的夸克和膠子產生了顯著外壓強，在邊緣的更遠處，有一個圍壓。有了這個結果，就能看到質子結構的全貌。沙納漢與合著者、麻省理工學院物理學副教授威廉·德莫特共同開展了這項研究。

顯著的夸克

麻省理工學院物理學家首次計算出質子內部的壓力分布，他們發現質子的高壓核心向外推，而周圍區域向內推。圖片：Massachusetts Institute of Technology

2018年5月美國能源部(Department of Energy)托馬斯·傑斐遜國家加速器設施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)的物理學家宣布，他們首次測量了質子的壓力分布，方法是用一束電子束射向一個由氫構成的目標。電子與目標質子內的夸克相互作用。然後，物理學家根據電子從目標散射的方式，確定了整個質子的壓力分布。他們的結果顯示，質子中有一個高壓中心，在它的最高壓力點測量到大約10^35帕斯卡，即中子星內部壓力的10倍。然而，沙納漢說他們對質子壓力的描述是不完整的。Shanahan說：我們發現了一個非常顯著的結果

但這一結果受制於一些重要的假設，由於理解的不全面，這些假設是必要的。具體來說，研究人員是根據質子夸克之間的相互作用而不是膠子之間的相互作用來估算壓力。質子由夸克和膠子組成，它們在質子內部以動態和波動的方式持續相互作用。傑佛遜實驗室研究小組只能用它的探測器來確定夸克的貢獻，沙納漢說，這種探測器遺漏了質子的很大一部分壓力貢獻。在過去的60年里，我們對夸克在質子結構中的作用有了相當好的理解，但是膠子的結構非常非常難理解，因為眾所周知，它很難測量或計算。

膠子轉變

沙納漢和德模用具沒有使用粒子加速器來測量質子的壓力，而是通過使用超級計算機來計算夸克和膠子之間相互作用來研究膠子在質子壓力中的作用。沙納漢說：在質子內部，存在著一對夸克、一對反夸克以及膠子組成的泡量子真空，有出現也有消失，我們的計算包括了所有這些動態波動。為此，研究小組在物理學中使用了一種被稱為晶格QCD技術，用於量子色動力學，這是一組描述強作用力的方程，強作用力是粒子物理學標準模型的三種基本作用力之一(另外兩個是弱力和電磁力)。這種強大的力將夸克和膠子結合在一起，最終形成質子。點陣QCD計算使用四維點陣來表示空間的三維和時間的一維。

核物理學家發現，質子的組成部分夸克在質子中心附近受到10^35帕斯卡的壓力，大約是中子星中心壓力的10倍。圖片：DOE"s Jefferson Lab

研究人員利用晶格上定義的量子色動力學方程計算了質子內部的壓力。沙納漢解釋說：這需要大量的計算，所以我們使用世界上最強大的超級計算機來進行這些計算。研究小組花了大約18個月的時間，在幾個不同的超級計算機上運行了夸克和膠子的不同構型，然後測定了從質子中心到邊緣每個點的平均壓強。與Jefferson實驗室的結果相比，Shanahan和Detmold發現，通過加入膠子的貢獻，質子中的壓力分布發生了顯著的轉變。沙納漢說：我們第一次研究了膠子對壓力分布的貢獻，真的可以看到，與之前的結果相比，膠子峰變得更強了，壓力分布從質子中心向外延伸得更遠了。

換句話說，質子的最高壓強似乎是10^35帕斯卡左右，是中子星的10倍，與傑斐遜實驗室研究人員的報告類似。周圍的低壓區比先前估計的延伸得更遠。要證實這些新的計算結果，需要更強大的探測器，比如電子-離子對撞機(Electron-Ion Collider)，物理學家打算用它來探測質子和中子的內部結構，比以往任何時候都要詳細，包括膠子。對膠子在質子中作用的定量研究還處於早期階段，通過結合實驗測量的夸克貢獻，以及我們對膠子的新計算，得到了質子壓力的第一張完整圖片，這個預測可以在未來10年內在新的對撞機上得到驗證。

博科園-科學科普｜研究/來自: 麻省理工學院/by Jennifer Chu

參考期刊文獻:《物理評論快報》,《自然》

DOI: 10.1038/s41586-018-0060-z

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