探索质子的最大谜团

对于一个宏观物体来说，它有多重，以及这些质量来自哪些部分，绝对算不上是难以回答的问题，这差不多就是一个“1+1+1=3”的问题。但在微观世界，情况则截然不同。

就拿我们最熟悉的一种粒子——质子来举例。质子是一种出现在原子中心带正电的粒子，它是原子核的基本组成部分，占宇宙可见物质的99%以上。但质子身上的一个最大谜团就是它的质量来源。事实证明，质子的测量质量不仅来自它的物理构件。

质子由三个价夸克构成。在许多示意图中，我们会把质子结构简单描述为两个上夸克和一个下夸克的组合。

但是，如果把质子中夸克的质量相加，会发现只能得到质子质量的一部分，而且是很小的一部分。原因之一在于，这种表述过于简化了。质子的内部实际上要复杂得多，充满了夸克和反夸克对，以及传递强力的胶子。（强力是自然界中的四种基本力之一，负责将夸克紧紧地束缚在质子内，详见《一个很强的常数》）

在常见的质子内部结构示意图中，只包含了三个价夸克，但质子内部实际上非常复杂。（图/原理）

在过去的几十年间，核物理学家已经初步拼凑出了质子质量的几种来源。首先，夸克的确提供了一些质量，还有一部分质量来自夸克的运动。其次，强力能量也能提供一部分质子质量。最后，质子中的夸克和胶子的动态相互作用，也会产生质量。

最近在托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验，揭示了强力产生的质子质量半径，并准确指出了由这些胶子产生的物质的位置。这为揭开质子结构和质量来源之谜迈出了一大步。论文已于近日发表在《自然》上。

出乎意料的发现

这项实验在杰斐逊实验室的CEBAF（连续电子束加速器设施）的实验大厅C进行，合作项目在2019年初进行了约30天的实验。这个惊人的结果在某种程度上而言出乎了研究人员的意料，因为实验最初的目标是寻找CERN（欧洲核子研究中心）的研究人员已经报道过的五夸克。

在实验中，来自CEBAF加速器的10.6 GeV的高能电子被送入一小块铜中。这些电子被铜块减速或偏转，导致它们作为光子发出轫致辐射。然后，这束光子击中了一个液态氢目标内的质子。探测器测量了这些相互作用的残留物，也就是电子和正电子（电子的反粒子）。

实验人员对那些在氢的质子核中产生J/Ψ粒子的相互作用很感兴趣。J/Ψ是一种短寿命的介子，由粲夸克和反粲夸克构成。一旦形成，它就会迅速衰变为电子-正电子对。在无数次相互作用中，实验者通过确认一致的电子-正电子对，在这些相互作用的截面测量中发现了约2000个J/Ψ粒子。

可以这么理解，原本研究人员会通过对电子在质子上的弹性散射，获得质子的电荷分布。而在这种情况下，类似地，他们对来自质子的J/Ψ进行了“独家拍照”，得到的就是胶子分布，而不是电荷分布。

团队随后能够将这些截面测量结果插入了描述质子的胶子引力形状因子的理论模型中。所谓的胶子引力形状因子详细描述了质子的机械特性，比如它的质量和压强。他们将来自广义部分子分布模型和全息量子色动力学（QCD）模型的结果，与晶格QCD计算进行了比较。

从这些量的不同组合中，研究人员确定了上述由胶子主导的胶子质量半径。这个质量结构核位于质子的中心位置，它的半径实际上比电荷半径要小，而电荷半径先前经常被用作质子尺寸的一种代理数据。

新研究得出的质子内部结构和质量来源示意图。质量半径比电荷半径要小，而标量胶子活动的云则延伸超出了电荷半径的范围。（图/Argonne National Laboratory）

实验中更令人困惑的发现之一是，在其中一种理论模型方法中，数据暗示了，标量胶子的分布远远超出了电磁质子半径。换句话说，还有一层标量胶子活动的云延伸到了移动的夸克之外，并约束了夸克。

新的理解

这些结果都暗示，质子内部实际上应该存在更复杂的层次结构，超出了我们目前的理解。它可能具有三种半径，也就是电荷半径、质量半径和标量半径，而这三个数值都不相同。

研究人员认为，想要充分理解这些新的观测结果，以及它对我们理解约束的影响，还需要更高精度的J/Ψ实验。他们都相信，这个新结果相当耐人寻味，这将为它所暗示的新物理学带来更多的启示。

参考来源：

https://www.jlab.org/news/releases/charming-experiment-finds-gluon-mass-proton

https://arstechnica.com/science/2023/04/protons-mass-radius-is-apparently-shorter-than-its-charge-radius/

来源：原理

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