科学家首次计算质子内部压力分布：甚至比中子星更高

麻省理工学院的物理学家首次计算了质子内部的压力分布。

北京时间2月28日消息，一项新研究发现，质子核心能承受的压力远远高于中子星内部的压力。

中子星是宇宙中密度最大的天体之一，能承受极大的压力，以至于一茶匙的中子星物质就具有相当于15倍月球的质量。然而，物理学家发现，质子——构成宇宙中大部分可见物质的基本粒子——内部的压力甚至比中子星更高。

麻省理工学院的物理学家首次计算了质子内部的压力分布，发现质子具有一个高压核心，其密度最大处能产生比中子星内部高得多的压力。这个核心从质子的中心向外挤压，而核心周围的区域向内挤压。这两股压力的竞争具有稳定质子整体结构的作用。

该研究的结果发表在2月22日的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。这是物理学家首次通过考虑夸克和胶子(构成质子的基础亚原子粒子)的相互作用，来计算质子的压力分布。

“压力是质子的一个基本特征，我们目前对此知之甚少，”研究第一作者、麻省理工学院的物理学助理教授菲亚拉·沙纳罕(Phiala Shanahan)说，“现在我们发现，位于质子中心的夸克和胶子会产生显著的向外压力，而越靠近边缘，又存在一个限制性的压力。有了这一结果，我们就有机会了解质子结构的全貌。”

菲亚拉·沙纳罕与另一位作者、同为麻省理工学院物理学助理教授的威廉·德特莫尔德(William Detmold)共同完成了这项研究。他们都是麻省理工学院核科学实验室的研究人员。

了不起的夸克

2018年5月，美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器装置的物理学家宣布，他们首次测量了质子的压力分布，方法是将一束电子射向由氢构成的目标。这些电子会与目标中质子内部的夸克相互作用。接着，物理学家根据电子在目标中散布的方式，确定了整个质子的压力分布。他们的测量结果显示，质子内部存在一个高压中心，其压力最高点的压强达到10^35帕斯卡，相当于中子星内部压力的10倍。

然而，沙纳罕表示，该研究对质子压力的描述是不完整的。“他们发现了相当不可思议的结果，”沙纳罕说，“但这一结果受制于一些重要的假设。由于认知并不全面，因此这些假设是必要的。”具体来说，研究人员是根据质子内部夸克之间的相互作用来估算压力，但没有考虑到胶子。质子由夸克和胶子构成，它们在质子内部会以动态和波动的方式持续相互作用。沙纳罕表示，杰斐逊实验室的研究团队只是通过探测器确定了夸克的贡献，但遗漏了质子压力分布的很大一部分。

“在过去60年里，我们已经对夸克在质子结构中的作用有了很多了解，”沙纳罕说，“但理解胶子结构则非常、非常困难，因为众所周知，它非常难以测量和计算。”

胶子引起的变化

沙纳罕和德特莫尔德并没有使用粒子加速器来测量质子的压力，而是通过超计算机来计算夸克和胶子之间的相互作用，从而了解胶子在质子压力中扮演的角色。

“在质子内部，存在着一个量子空间，成对的夸克和反夸克在里面翻腾，胶子也是一样，它们不断出现又不断消失，”沙纳罕说，“我们的计算包含了所有这些动态变化。”

为了做到这点，研究团队使用了物理学中称为“格点量子色动力学”(lattice QCD)的技术。量子色动力学(quantum chromodynamics，简称QCD)是一个描述夸克与胶子之间强相互作用的标准动力学理论。在标准模型中，强相互作用是粒子物理学中四种宇宙间基本作用力中最强的，它将夸克和胶子结合在一起，最终形成了质子。

格点量子色动力学计算使用了一个四维网格，其中的点代表了三维的空间和另外一维的时间。研究人员利用格点上定义的量子色动力学方程计算出了质子内部的压力。“这要求非常大量的计算，因此我们使用了世界上最强大的超级计算机来完成这些计算，”沙纳罕解释道。

研究团队花了大约18个月的时间，通过数台超级计算机运行各种夸克和胶子的参数，然后确定质子内部——从中心到边缘——每个点的平均压力。沙纳罕和德特莫尔德发现，在考虑胶子的贡献之后，质子的压力分布相比杰斐逊实验室的测量结果有了显著的变化。

沙纳罕说：“我们首次关注了胶子对质子压力分布的贡献，而且可以清楚地看到，相对于之前的结果，现在的峰值变得更强，压力分布从质子中心向外进一步延伸。”换句话说，尽管质子内部的最高压强仍然是在10^35帕斯卡左右，或者说是中子星的10倍，类似于杰斐逊实验室研究人员测量的结果，但围绕中心的低压力区域延伸的范围要比之前估计的更远。

证实这些计算结果将需要更强大的探测器，比如呼声很高的电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider)。物理学家计划利用这台粒子加速器来探测质子和中子的内部结构，了解胶子等亚原子粒子的更详细信息。

“我们正处于定量理解胶子在质子内部如何作用的早期阶段，”沙纳罕说，“通过将实验测量的夸克贡献，与我们新计算的胶子贡献结合起来，我们首次获得了质子压力分布的全貌。在未来十年内，新的对撞机将可以对这一结果进行验证。”该研究部分得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

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