新浪科技訊 北京時(shí)間2月28日消息，一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子核心能承受的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中子星內(nèi)部的壓力。

　　中子星是宇宙中密度的天體之一，能承受極大的壓力，以至于一茶匙的中子星物質(zhì)就具有相當(dāng)于15倍月球的質(zhì)量。然而，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子——構(gòu)成宇宙中大部分可見(jiàn)物質(zhì)的基本粒子——內(nèi)部的壓力甚至比中子星更高。

　　麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家計(jì)算了質(zhì)子內(nèi)部的壓力分布，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子具有一個(gè)高壓核心，其密度處能產(chǎn)生比中子星內(nèi)部高得多的壓力。這個(gè)核心從質(zhì)子的中心向外擠壓，而核心周?chē)�的區(qū)域向內(nèi)擠壓。這兩股壓力的競(jìng)爭(zhēng)具有穩(wěn)定質(zhì)子整體結(jié)構(gòu)的作用。

　　該研究的結(jié)果發(fā)表在2月22日的《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上。這是物理學(xué)家通過(guò)考慮夸克和膠子(構(gòu)成質(zhì)子的基礎(chǔ)亞原子粒子)的相互作用，來(lái)計(jì)算質(zhì)子的壓力分布。

　　“壓力是質(zhì)子的一個(gè)基本特征，我們目前對(duì)此知之甚少，”研究第一作者、麻省理工學(xué)院的物理學(xué)助理教授菲亞拉·沙納罕(Phiala Shanahan)說(shuō)，“現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)，位于質(zhì)子中心的夸克和膠子會(huì)產(chǎn)生顯著的向外壓力，而越靠近邊緣，又存在一個(gè)限制性的壓力。有了這一結(jié)果，我們就有機(jī)會(huì)了解質(zhì)子結(jié)構(gòu)的全貌。”

　　菲亞拉·沙納罕與另一位作者、同為麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授的威廉·德特莫爾德(William Detmold)共同完成了這項(xiàng)研究。他們都是麻省理工學(xué)院核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員。

　　了不起的夸克

　　2018年5月，美國(guó)能源部托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器裝置的物理學(xué)家宣布，他們測(cè)量了質(zhì)子的壓力分布，方法是將一束電子射向由氫構(gòu)成的目標(biāo)。這些電子會(huì)與目標(biāo)中質(zhì)子內(nèi)部的夸克相互作用。接著，物理學(xué)家根據(jù)電子在目標(biāo)中散布的方式，確定了整個(gè)質(zhì)子的壓力分布。他們的測(cè)量結(jié)果顯示，質(zhì)子內(nèi)部存在一個(gè)高壓中心，其壓力點(diǎn)的壓強(qiáng)達(dá)到10^35帕斯卡，相當(dāng)于中子星內(nèi)部壓力的10倍。

　　然而，沙納罕表示，該研究對(duì)質(zhì)子壓力的描述是不完整的。“他們發(fā)現(xiàn)了相當(dāng)不可思議的結(jié)果，”沙納罕說(shuō)，“但這一結(jié)果受制于一些重要的假設(shè)。由于認(rèn)知并不全面，因此這些假設(shè)是必要的。”具體來(lái)說(shuō)，研究人員是根據(jù)質(zhì)子內(nèi)部夸克之間的相互作用來(lái)估算壓力，但沒(méi)有考慮到膠子。質(zhì)子由夸克和膠子構(gòu)成，它們?cè)谫|(zhì)子內(nèi)部會(huì)以動(dòng)態(tài)和波動(dòng)的方式持續(xù)相互作用。沙納罕表示，杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)只是通過(guò)探測(cè)器確定了夸克的貢獻(xiàn)，但遺漏了質(zhì)子壓力分布的很大一部分。

　　“在過(guò)去60年里，我們已經(jīng)對(duì)夸克在質(zhì)子結(jié)構(gòu)中的作用有了很多了解，”沙納罕說(shuō)，“但理解膠子結(jié)構(gòu)則非常、非常困難，因?yàn)楸娝�周知，它非常難以測(cè)量和計(jì)算。”

　　膠子引起的變化

　　沙納罕和德特莫爾德并沒(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)超計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算夸克和膠子之間的相互作用，從而了解膠子在質(zhì)子壓力中扮演的角色。

　　“在質(zhì)子內(nèi)部，存在著一個(gè)量子空間，成對(duì)的夸克和反夸克在里面翻騰，膠子也是一樣，它們不斷出現(xiàn)又不斷消失，”沙納罕說(shuō)，“我們的計(jì)算包含了所有這些動(dòng)態(tài)變化。”

　　為了做到這點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)使用了物理學(xué)中稱(chēng)為“格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)”(lattice QCD)的技術(shù)。量子色動(dòng)力學(xué)(quantum chromodynamics，簡(jiǎn)稱(chēng)QCD)是一個(gè)描述夸克與膠子之間強(qiáng)相互作用的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力學(xué)理論。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，強(qiáng)相互作用是粒子物理學(xué)中四種宇宙間基本作用力中最強(qiáng)的，它將夸克和膠子結(jié)合在一起，最終形成了質(zhì)子。

　　格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)計(jì)算使用了一個(gè)四維網(wǎng)格，其中的點(diǎn)代表了三維的空間和另外一維的時(shí)間。研究人員利用格點(diǎn)上定義的量子色動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算出了質(zhì)子內(nèi)部的壓力。“這要求非常大量的計(jì)算，因此我們使用了世界上最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)完成這些計(jì)算，”沙納罕解釋道。

　　研究團(tuán)隊(duì)花了大約18個(gè)月的時(shí)間，通過(guò)數(shù)臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)運(yùn)行各種夸克和膠子的參數(shù)，然后確定質(zhì)子內(nèi)部——從中心到邊緣——每個(gè)點(diǎn)的平均壓力。沙納罕和德特莫爾德發(fā)現(xiàn)，在考慮膠子的貢獻(xiàn)之后，質(zhì)子的壓力分布相比杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果有了顯著的變化。

　　沙納罕說(shuō)：“我們關(guān)注了膠子對(duì)質(zhì)子壓力分布的貢獻(xiàn)，而且可以清楚地看到，相對(duì)于之前的結(jié)果，現(xiàn)在的峰值變得更強(qiáng)，壓力分布從質(zhì)子中心向外進(jìn)一步延伸。”換句話說(shuō)，盡管質(zhì)子內(nèi)部的壓強(qiáng)仍然是在10^35帕斯卡左右，或者說(shuō)是中子星的10倍，類(lèi)似于杰斐遜實(shí)驗(yàn)室研究人員測(cè)量的結(jié)果，但圍繞中心的低壓力區(qū)域延伸的范圍要比之前估計(jì)的更遠(yuǎn)。

　　證實(shí)這些計(jì)算結(jié)果將需要更強(qiáng)大的探測(cè)器，比如呼聲很高的電子-離子對(duì)撞機(jī)(Electron-Ion Collider)。物理學(xué)家計(jì)劃利用這臺(tái)粒子加速器來(lái)探測(cè)質(zhì)子和中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解膠子等亞原子粒子的更詳細(xì)信息。

　　“我們正處于定量理解膠子在質(zhì)子內(nèi)部如何作用的早期階段，”沙納罕說(shuō)，“通過(guò)將實(shí)驗(yàn)測(cè)量的夸克貢獻(xiàn)，與我們新計(jì)算的膠子貢獻(xiàn)結(jié)合起來(lái)，我們獲得了質(zhì)子壓力分布的全貌。在未來(lái)十年內(nèi)，新的對(duì)撞機(jī)將可以對(duì)這一結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。”該研究部分得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和美國(guó)能源部的支持。(任天)