麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家首次計(jì)算出了質(zhì)子內(nèi)部的壓力分布。他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的高壓核心產(chǎn)生的壓力向外，而周圍區(qū)域產(chǎn)生的壓力向內(nèi)。
phys.org網(wǎng)站2月22日?qǐng)?bào)道，《物理評(píng)論快報(bào)》雜志載文稱，中子星是宇宙中已知密度最大的天體之一，它承受著巨大的壓力。一茶匙的中子星物質(zhì)的質(zhì)量大約是月球質(zhì)量的15倍。然而“天外有天”，作為構(gòu)成宇宙中大部分可見(jiàn)物質(zhì)的基本粒子——質(zhì)子，其內(nèi)部壓力更高。美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)家們首次通過(guò)考慮夸克和膠子(質(zhì)子的基本亞核成分)的壓力貢獻(xiàn)比例，計(jì)算出了質(zhì)子的壓力分布，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)中包含一個(gè)高壓核心。質(zhì)子結(jié)構(gòu)中的最高壓力，甚至比中子星內(nèi)部產(chǎn)生的壓力還要巨大。高壓核心產(chǎn)生的壓力是向外的，周圍區(qū)域產(chǎn)生的壓力向內(nèi)。相互“競(jìng)爭(zhēng)”的壓力作用使得質(zhì)子的整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。論文第一作者、MIT物理學(xué)助理教授Phiala Shanahan說(shuō)：“雖然壓力只是質(zhì)子的一個(gè)基本方面，但我們對(duì)其知之甚少。現(xiàn)在，我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子中心的夸克和膠子產(chǎn)生了顯著的外壓強(qiáng)，而在邊緣更遠(yuǎn)處存在圍壓。根據(jù)以上結(jié)果，我們就有可能了解質(zhì)子結(jié)構(gòu)的全貌了?！?Shanahan和論文合著者、MIT物理學(xué)副教授William Detmold共同開(kāi)展了這項(xiàng)研究。
早在2018年5月，美國(guó)能源部托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(下文簡(jiǎn)稱TJNAF)的物理學(xué)家曾宣布，他們利用粒子加速器，根據(jù)電子的散射方式，確定了整個(gè)質(zhì)子的壓力分布。他們認(rèn)為質(zhì)子中有一個(gè)高壓中心，最高壓力為1035帕斯卡，約為中子星內(nèi)部壓力的10倍。然而，Shanahan認(rèn)為TJNAF對(duì)質(zhì)子壓力的描述是不完整的。Shanahan 解釋說(shuō)：“他們的發(fā)現(xiàn)很重要，但因?yàn)榻Y(jié)果受制于假設(shè)的限制，還欠缺完整性?！本唧w來(lái)說(shuō)，TJNAF的研究人員是根據(jù)質(zhì)子中夸克之間的相互作用來(lái)估算壓力的，忽略了膠子的貢獻(xiàn)。而在實(shí)際情況下，夸克和膠子在質(zhì)子內(nèi)部以動(dòng)態(tài)和波動(dòng)的方式持續(xù)相互作用。TJNAF的測(cè)量結(jié)果遺漏了膠子的壓力貢獻(xiàn)，并且其所占比例還不低。
Shanahan和Detmold轉(zhuǎn)而采用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算夸克和膠子之間的相互作用來(lái)研究膠子在質(zhì)子壓力中的作用。Shanahan說(shuō):“我們的計(jì)算方式涵蓋了所有的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。”為此，Shanahan等使用了格點(diǎn)QCD的技術(shù)，這是用于量子色動(dòng)力學(xué)中描述強(qiáng)作用力的方法。研究人員花費(fèi)了大概18個(gè)月的時(shí)間，在多個(gè)超級(jí)計(jì)算機(jī)上模擬了夸克和膠子的不同構(gòu)型，并測(cè)算了從質(zhì)子中心到邊緣的每個(gè)點(diǎn)的平均壓強(qiáng)。Shanahan等發(fā)現(xiàn)，與TJNAF的結(jié)果相比，引入膠子的壓力貢獻(xiàn)，質(zhì)子中的壓力分布發(fā)生了顯著的變化。Shanahan說(shuō)：“我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)，與之前的結(jié)果相比，壓力峰變得更強(qiáng)了，壓力分布從質(zhì)子中心向外延伸得更遠(yuǎn)了?！?/p>
要證實(shí)這些新的計(jì)算結(jié)果，還需要更強(qiáng)大的探測(cè)儀器，例如電子-離子對(duì)撞機(jī)。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)，以獲取前所未有的詳細(xì)信息。Shanahan說(shuō)：“我們對(duì)膠子在質(zhì)子中所起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)量的夸克壓力貢獻(xiàn)，以及膠子壓力貢獻(xiàn)的新計(jì)算結(jié)果，我們得到了關(guān)于質(zhì)子壓力的首張完整圖片。這個(gè)預(yù)測(cè)或許可以在未來(lái)10年內(nèi)，在新的對(duì)撞機(jī)上得到驗(yàn)證?！?/p>
編譯：雷鑫宇 審稿：三水 責(zé)編：唐林芳
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