質子的壓力如何分布?物理學家首次「完整」計算出來了

2020-11-26 科技工作者之家

麻省理工學院的物理學家首次計算出了質子內部的壓力分布。他們發現質子的高壓核心產生的壓力向外,而周圍區域產生的壓力向內。

phys.org網站2月22日報導,《物理評論快報》雜誌載文稱,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的質量大約是月球質量的15倍。然而「天外有天」,作為構成宇宙中大部分可見物質的基本粒子——質子,其內部壓力更高。美國麻省理工學院(MIT)的物理學家們首次通過考慮夸克和膠子(質子的基本亞核成分)的壓力貢獻比例,計算出了質子的壓力分布,發現其結構中包含一個高壓核心。質子結構中的最高壓力,甚至比中子星內部產生的壓力還要巨大。高壓核心產生的壓力是向外的,周圍區域產生的壓力向內。相互「競爭」的壓力作用使得質子的整體結構趨於穩定。論文第一作者、MIT物理學助理教授Phiala Shanahan說:「雖然壓力只是質子的一個基本方面,但我們對其知之甚少。現在,我們發現質子中心的夸克和膠子產生了顯著的外壓強,而在邊緣更遠處存在圍壓。根據以上結果,我們就有可能了解質子結構的全貌了。」 Shanahan和論文合著者、MIT物理學副教授William Detmold共同開展了這項研究。

早在2018年5月,美國能源部託馬斯?傑斐遜國家加速器實驗室(下文簡稱TJNAF)的物理學家曾宣布,他們利用粒子加速器,根據電子的散射方式,確定了整個質子的壓力分布。他們認為質子中有一個高壓中心,最高壓力為1035帕斯卡,約為中子星內部壓力的10倍。然而,Shanahan認為TJNAF對質子壓力的描述是不完整的。Shanahan 解釋說:「他們的發現很重要,但因為結果受制於假設的限制,還欠缺完整性。」具體來說,TJNAF的研究人員是根據質子中夸克之間的相互作用來估算壓力的,忽略了膠子的貢獻。而在實際情況下,夸克和膠子在質子內部以動態和波動的方式持續相互作用。TJNAF的測量結果遺漏了膠子的壓力貢獻,並且其所佔比例還不低。

Shanahan和Detmold轉而採用超級計算機計算夸克和膠子之間的相互作用來研究膠子在質子壓力中的作用。Shanahan說:「我們的計算方式涵蓋了所有的動態波動。」為此,Shanahan等使用了格點QCD的技術,這是用於量子色動力學中描述強作用力的方法。研究人員花費了大概18個月的時間,在多個超級計算機上模擬了夸克和膠子的不同構型,並測算了從質子中心到邊緣的每個點的平均壓強。Shanahan等發現,與TJNAF的結果相比,引入膠子的壓力貢獻,質子中的壓力分布發生了顯著的變化。Shanahan說:「我們確實發現,與之前的結果相比,壓力峰變得更強了,壓力分布從質子中心向外延伸得更遠了。」

要證實這些新的計算結果,還需要更強大的探測儀器,例如電子-離子對撞機。物理學家打算用它來探測質子和中子的內部結構,以獲取前所未有的詳細信息。Shanahan說:「我們對膠子在質子中所起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壓力貢獻,以及膠子壓力貢獻的新計算結果,我們得到了關於質子壓力的首張完整圖片。這個預測或許可以在未來10年內,在新的對撞機上得到驗證。」

編譯:雷鑫宇

審稿:三水

責編:南熙

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