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(zhì)重量大約相當(dāng)于月球的15倍。然而事實(shí)證明，質(zhì)子（構(gòu)成宇宙中大部分可見(jiàn)物質(zhì)的基本粒子）所含的壓力甚至更高。麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們首次計(jì)算出了質(zhì)子的壓力分布，并發(fā)現(xiàn)該粒子包含一個(gè)高壓核心，在其強(qiáng)度最大的時(shí)刻，產(chǎn)生的壓力比中子星內(nèi)部產(chǎn)生的壓力還要大。這個(gè)核從質(zhì)子中心向外推，而周圍的區(qū)域向內(nèi)推（想象一個(gè)棒球試圖在一個(gè)正在坍塌的足球里膨脹）相互競(jìng)爭(zhēng)的壓力作用于穩(wěn)定質(zhì)子的整體結(jié)構(gòu)。

博科園-科學(xué)科普：物理學(xué)家們2019年2月22日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的結(jié)果，代表了科學(xué)家們首次通過(guò)夸克和膠子(質(zhì)子的基本亞原子成分)的貢獻(xiàn)來(lái)計(jì)算質(zhì)子壓力分布。該研究的第一作者、麻省理工學(xué)院(MIT)物理學(xué)助理教授菲亞拉·沙納罕(Phiala Shanahan)說(shuō)：

壓力是質(zhì)子的一個(gè)基本方面，目前我們對(duì)它知之甚少，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子中心的夸克和膠子產(chǎn)生了顯著外壓強(qiáng)，在邊緣的更遠(yuǎn)處，有一個(gè)圍壓。有了這個(gè)結(jié)果，就能看到質(zhì)子結(jié)構(gòu)的全貌。沙納漢與合著者、麻省理工學(xué)院物理學(xué)副教授威廉·德莫特共同開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

顯著的夸克

麻省理工學(xué)院物理學(xué)家首次計(jì)算出質(zhì)子內(nèi)部的壓力分布，他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的高壓核心向外推，而周圍區(qū)域向內(nèi)推。圖片：Massachusetts Institute of Technology

2018年5月美國(guó)能源部(Department of Energy)托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)的物理學(xué)家宣布，他們首次測(cè)量了質(zhì)子的壓力分布，方法是用一束電子束射向一個(gè)由氫構(gòu)成的目標(biāo)。電子與目標(biāo)質(zhì)子內(nèi)的夸克相互作用。然后，物理學(xué)家根據(jù)電子從目標(biāo)散射的方式，確定了整個(gè)質(zhì)子的壓力分布。他們的結(jié)果顯示，質(zhì)子中有一個(gè)高壓中心，在它的最高壓力點(diǎn)測(cè)量到大約10^35帕斯卡，即中子星內(nèi)部壓力的10倍。然而，沙納漢說(shuō)他們對(duì)質(zhì)子壓力的描述是不完整的。Shanahan說(shuō)：我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)非常顯著的結(jié)果

但這一結(jié)果受制于一些重要的假設(shè)，由于理解的不全面，這些假設(shè)是必要的。具體來(lái)說(shuō)，研究人員是根據(jù)質(zhì)子夸克之間的相互作用而不是膠子之間的相互作用來(lái)估算壓力。質(zhì)子由夸克和膠子組成，它們?cè)谫|(zhì)子內(nèi)部以動(dòng)態(tài)和波動(dòng)的方式持續(xù)相互作用。杰佛遜實(shí)驗(yàn)室研究小組只能用它的探測(cè)器來(lái)確定夸克的貢獻(xiàn)，沙納漢說(shuō)，這種探測(cè)器遺漏了質(zhì)子的很大一部分壓力貢獻(xiàn)。在過(guò)去的60年里，我們對(duì)夸克在質(zhì)子結(jié)構(gòu)中的作用有了相當(dāng)好的理解，但是膠子的結(jié)構(gòu)非常非常難理解，因?yàn)楸娝苤?，它很難測(cè)量或計(jì)算。

膠子轉(zhuǎn)變

沙納漢和德模用具沒(méi)有使用粒子加速器來(lái)測(cè)量質(zhì)子的壓力，而是通過(guò)使用超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算夸克和膠子之間相互作用來(lái)研究膠子在質(zhì)子壓力中的作用。沙納漢說(shuō)：在質(zhì)子內(nèi)部，存在著一對(duì)夸克、一對(duì)反夸克以及膠子組成的泡量子真空，有出現(xiàn)也有消失，我們的計(jì)算包括了所有這些動(dòng)態(tài)波動(dòng)。為此，研究小組在物理學(xué)中使用了一種被稱為晶格QCD技術(shù)，用于量子色動(dòng)力學(xué)，這是一組描述強(qiáng)作用力的方程，強(qiáng)作用力是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的三種基本作用力之一(另外兩個(gè)是弱力和電磁力)。這種強(qiáng)大的力將夸克和膠子結(jié)合在一起，最終形成質(zhì)子。點(diǎn)陣QCD計(jì)算使用四維點(diǎn)陣來(lái)表示空間的三維和時(shí)間的一維。

核物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子的組成部分夸克在質(zhì)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(dòng)力學(xué)方程計(jì)算了質(zhì)子內(nèi)部的壓力。沙納漢解釋說(shuō)：這需要大量的計(jì)算，所以我們使用世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行這些計(jì)算。研究小組花了大約18個(gè)月的時(shí)間，在幾個(gè)不同的超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了夸克和膠子的不同構(gòu)型，然后測(cè)定了從質(zhì)子中心到邊緣每個(gè)點(diǎn)的平均壓強(qiáng)。

與Jefferson實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果相比，Shanahan和Detmold發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加入膠子的貢獻(xiàn)，質(zhì)子中的壓力分布發(fā)生了顯著的轉(zhuǎn)變。沙納漢說(shuō)：我們第一次研究了膠子對(duì)壓力分布的貢獻(xiàn)，真的可以看到，與之前的結(jié)果相比，膠子峰變得更強(qiáng)了，壓力分布從質(zhì)子中心向外延伸得更遠(yuǎn)了。

換句話說(shuō)，質(zhì)子的最高壓強(qiáng)似乎是10^35帕斯卡左右，是中子星的10倍，與杰斐遜實(shí)驗(yàn)室研究人員的報(bào)告類似。周圍的低壓區(qū)比先前估計(jì)的延伸得更遠(yuǎn)。要證實(shí)這些新的計(jì)算結(jié)果，需要更強(qiáng)大的探測(cè)器，比如電子-離子對(duì)撞機(jī)(Electron-Ion Collider)，物理學(xué)家打算用它來(lái)探測(cè)質(zhì)子和中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比以往任何時(shí)候都要詳細(xì)，包括膠子。對(duì)膠子在質(zhì)子中作用的定量研究還處于早期階段，通過(guò)結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)量的夸克貢獻(xiàn)，以及我們對(duì)膠子的新計(jì)算，得到了質(zhì)子壓力的第一張完整圖片，這個(gè)預(yù)測(cè)可以在未來(lái)10年內(nèi)在新的對(duì)撞機(jī)上得到驗(yàn)證。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: 麻省理工學(xué)院/Jennifer Chu

參考期刊文獻(xiàn):《物理評(píng)論快報(bào)》,《自然》

DOI: 10.1038/s41586-018-0060-z

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美