物理學家們終於計算出了質子質量的來源

2020-12-03 年撐說事

質子的質量不僅僅是其各個部分的總和。現在，科學家們才知道是什麼導致了亞原子粒子的重量。

質子由什至由較小的稱為夸克的顆粒組成，因此您可能希望簡單地將夸克的質量相加即可得到質子的質量。但是，這個數字太小了，無法解釋質子的體積。新的詳細計算結果表明，質子的質量只有9％來自誇克的質量。研究人員在11月23日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）中報告說，質子的其餘部分來自粒子內部發生的複雜效應。

夸克的質量來自與希格斯玻色子有關的過程，希格斯玻色子是2012年首次發現的基本粒子。但是，合著者，肯塔基大學列剋星敦分校的理論物理學家劉克非說，「夸克的質量很小」。因此，對於質子，希格斯的解釋不足。

取而代之的是，質子9.38億電子伏特的大部分質量是由於量子色動力學或QCD的複雜性所致，該理論解釋了質子內部顆粒的攪動。用QCD進行計算非常困難，因此，從理論上研究質子的性質，科學家們依賴於一種稱為晶格QCD的技術，該技術將空間和時間分解成一個網格，並在該網格上放置了夸克。

使用這種技術，物理學家先前已經計算出了質子的質量。但是加州勞倫斯伯克利國家實驗室的理論物理學家安德烈·沃克-盧德說，但是直到現在，科學家們才知道質量的來源。「令人興奮的是，這標誌著……我們已經真正踏入了這個新時代」，在該時代中，可以使用晶格QCD更好地理解核物理。

Liu及其同事發現，除了夸克的質子佔質子質量的9％外，夸克的能量還佔32％。（由於愛因斯坦著名的方程E = mc 2，這是因為能量和質量是同一枚硬幣的兩面。）質子的其他乘員，無質量粒子稱為膠子，它們幫助將夸克結合在一起，通過其能量貢獻了另外的36％。

剩下的23％是由於夸克和膠子在質子內部以複雜方式相互作用時發生的量子效應而產生的。這些相互作用導致QCD放棄了一種稱為尺度不變性的原則。在尺度不變理論中，空間和時間的延長或縮小對理論的結果沒有影響。質點為理論提供了尺度，因此，當QCD克服尺度不變性時，質子也會獲得質量。

伊利諾州巴達維亞費米實驗室的理論物理學家Andreas Kronfeld說，這項研究的結果不足為奇。科學家們長期以來一直懷疑質子的質量是通過這種方式構成的。但是，他說：「這種計算用科學知識代替了信念。」

相關焦點

  • 質子的壓力如何分布?物理學家首次「完整」計算出來了
    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。
  • 延續百年的質子半徑之謎,終於被破解了!
    撰文 | 張華編輯 | 吳非康普頓波長1918年，時任英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任的物理學家盧瑟福首次發現了質子。他領導的研究小組用α粒子轟擊氮原子核時，閃光探測器記錄下氫原子核，也就是質子的跡象。不過，當時的實驗手段檢測不出質子的半徑。量子力學的出現，使得科學家有了描述質子的新途徑。
  • 天體物理學家告訴你質子的質量從哪來?
    由愛因斯坦的E = mc可知，這種「質量虧損」是恆星能量的來源。當恆星在燃燒時，它們會製造出更加緊密結合的原子核，以輻射的形式釋放出能量。圖解：在天琴座第二和第三亮的恆星，藍色巨型恆星謝利亞克和蘇拉法特之間，環形星雲在夜空中閃耀。
  • 重新測定質子大小,結果讓物理學家失望了
    圖片來源：CERN 來源 Quanta Magazine 翻譯 黃鷺 審校/編輯 李光昭 早在 2010 年，德國有物理學家報告稱，他們對質子（註：質子是原子核中帶正電荷的組成要素
  • 終於,物理學家弄清了南極高能幽靈粒子的來源之謎:耀變體黑洞!
    現在，研究人員終於鎖定其來源，它們來自一種高度活躍的橢圓形星系，即所謂的 「耀變體」 （blazar）。其中心內部潛藏著一個巨大的黑洞，釋放出的輻射能夠直抵地球。也就是說，這種高能宇宙中微子來自銀河系外。
  • 美國天體物理學家計算出位於銀河系中心的超大質量黑洞的旋轉速度
    美國天體物理學家計算出位於銀河系中心的超大質量黑洞的旋轉速度（Credit: BarkerNCSA Advanced Visualization Laboratory）（神秘的地球uux.cn報導）據俄羅斯衛星網：美國天體物理學家第一次能夠計算出位於銀河系中心的超大質量黑洞的旋轉速度。研究結果發表在了《天體物理期刊通訊》上。
  • 藉助超級計算機,物理學家終於解決「β衰變難題」| Nat. Phys.
    原子核發生 β 衰變的速率要低於根據自由中子的 β 衰變速率計算得出的結果，五十年來物理學家一直沒有找到其中的原因。
  • 國際科學團隊成功揭開質子質量之謎
    憑藉目前世界最強大計算機的運算能力，法國、德國和匈牙利的物理學家發現：95%的質子質量由夸克和膠子的能量轉化而來，以此確認了描述粒子間強相互作用理論的有效性，並從粒子學角度證明了愛因斯坦著名的質能公式
  • 一個至今無解的謎:構成萬物的質子和中子,質量從何而來?
    質量不是核子身上的唯一謎團。它們的自旋同樣令人困惑——核子中夸克的自旋不足以解釋整個核子的自旋。科學家現在認為，核子的自旋、質量和其他性質都源自它們內部夸克和膠子之間的複雜相互作用，但他們不清楚其中的確切機制。而科學家通過理論也只能了解這麼多，因為夸克和膠子之間的相互作用由一種名為量子色動力學（QCD）的理論主宰，這種理論的計算極端困難。
  • 英科學家測量出質子的直徑,把1毫米分成1萬億份,質子佔1份多
    實際上分子和原子都屬於微觀世界的物質狀態，而質子中子和電子又比它們小得多，有物理學家曾經打過這樣一個比喻，中子和電子這三種基本粒子中，質子和中子幾乎有著一樣的體積，質量方面中子略微大一點點，電子則比較難測，一直以來科學家們都想知道這三種基本粒子的確切的體積和質量大小，並且也進行過很多次的研究和測算。
  • 物理學家終於揭開β衰變謎題!
    ORNL工作人員、領導這項研究的科學家高特哈根(Gaute Hagen)說：幾十年來，科學家們對核衰變缺乏基本的了解，在這種衰變中，質子轉化為中子，或者中子轉化為質子，形成其他元素。博科園-科學科普：研究團隊證明，理論模型和計算已經發展到能夠以足夠的精度計算出一些衰變特性，以便與實驗進行直接比較的地步。
  • 質子和中子的質量從哪裡來的?一項新的設備有望找到答案
    要了解如何，物理學家想要建立一個電子離子對撞機，用電子粉碎質子和原子核，提供原子核內部的三維圖像。可觀測的宇宙估計包含大約10^53千克的普通物質，其中大部分是大約1080個質子和中子的形式，它們與電子一起是原子的成分。但是質子和中子的質量是什麼呢？
  • 膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上—新聞—科學網
    美首次在光子—質子碰撞中測量J/ψ介子表明
  • 質子的半徑始終無法準確測量,新測量方法能否解開質子之謎?
    例如：質子的質量、電荷、半徑等等，質子的質量、電荷是很好測量的，因為質子帶正電荷，所以可以根據質子在電場與磁場運動中所產生的偏轉，來測量質子的質量與電荷，但是唯獨在測量質子的半徑上，物理學家犯了難，關於測量質子半徑的問題就是物理學家所稱的：質子之謎。為何質子的半徑不容易測量的呢？
  • 科學家指出質子半徑可能比以前的計算小4%
    據美國物理學家組織網7月8日（北京時間）報導，科學家在最新出版的《自然》雜誌指出，質子的半徑比以前認為的要小4%。如果這個結論在未來進一步獲得證實，那意味著，要麼闡釋光和物質相互作用的量子電動力學理論本身有問題，要麼許多基於現有質子大小計算所使用的裡德伯常量（原子物理學中的基本物理常量之一，為一經驗常數）是錯誤的。不管是何種情況，都意味著我們需要重寫基礎物理理論。
  • 膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上
    美國物理學家在新一期《物理評論快報》雜誌撰文稱，他們藉助光子—質子碰撞，首次對一種名為J/ψ介子的亞原子粒子進行了測量。初步結果表明，膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上。研究人員稱，測量在以前未探索過的能量區域進行，有望開闢新研究領域。
  • 物理學家們精確地計算出了黑洞的中心——奇點究竟是什麼樣
    物理學中突然出現的無窮大通常會引起科學家們的恐慌，愛因斯坦在得知史瓦西的結果後，史瓦西自己也不敢相信這種物體真的存在。但從20世紀70年代開始，越來越多的證據表明，宇宙中存在大量這樣的實體，這些實體就是黑洞，因為它們的引力太強，任何進入它們的東西都出不來，甚至光也出不來。從那時起，黑洞內部奇點的性質就一直是個謎。
  • 用超級複雜的數學解決夸克問題，透視質子的內部世界
    物體是由原子組成的，而原子由電子、質子和中子組成。然而，深入其中一個質子或中子，事情就變得奇怪了。三種被稱為夸克的粒子以接近光速的速度來回彈跳，被稱為膠子的相互連接的粒子弦彈回來。奇怪的是，質子的質量一定是以某種方式來自彈性膠子弦的能量，因為夸克的重量非常小，而膠子沒有質量。
  • 質子為什麼自旋?物理學給出了一個令人驚訝的答案
    這些是粒子本身固有的物理性質，比如質量、電荷或角動量，對於任何單個粒子都是一樣的。有些粒子是基本粒子，比如電子，它們的質量、電荷和角動量也是基本粒子。但其他粒子是複合粒子，比如質子。雖然質子的電荷(+1)是由三個夸克組成的(兩個上夸克，一個下夸克)之和決定的，但它的角動量要複雜得多。就像電子一樣，僅僅把組成它的三個夸克的自旋相加是不夠的。
  • 科學家首次測定:膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上
    物理學家組織網圖美國物理學家在新一期《物理評論快報》雜誌撰文稱，他們藉助光子—質子碰撞，首次對一種名為J/ψ介子的亞原子粒子進行了測量。初步結果表明，膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上。研究人員稱，測量在以前未探索過的能量區域進行，有望開闢新研究領域。J/ψ介子由一個粲夸克和一個反粲夸克組成，由光子—質子碰撞產生，因此攜帶有質子中膠子的信息。