中子星是宇宙中已知密度最大的天体之一，承受着巨大的压力，一茶匙的中子星物质重量大约相当于月球的15倍。然而事实证明，质子（构成宇宙中大部分可见物质的基本粒子）所含的压力甚至更高。麻省理工学院的物理学家们首次计算出了质子的压力分布，并发现该粒子包含一个高压核心，在其强度最大的时刻，产生的压力比中子星内部产生的压力还要大。这个核从质子中心向外推，而周围的区域向内推（想象一个棒球试图在一个正在坍塌的足球里膨胀）相互竞争的压力作用于稳定质子的整体结构。
博科园-科学科普：物理学家们2019年2月22日发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的结果，代表了科学家们首次通过夸克和胶子(质子的基本亚原子成分)的贡献来计算质子压力分布。该研究的第一作者、麻省理工学院(MIT)物理学助理教授菲亚拉·沙纳罕(Phiala Shanahan)说：压力是质子的一个基本方面，目前我们对它知之甚少，现在我们发现质子中心的夸克和胶子产生了显著外压强，在边缘的更远处，有一个围压。有了这个结果，就能看到质子结构的全貌。沙纳汉与合著者、麻省理工学院物理学副教授威廉·德莫特共同开展了这项研究。
显著的夸克
麻省理工学院物理学家首次计算出质子内部的压力分布，他们发现质子的高压核心向外推，而周围区域向内推。图片：Massachusetts Institute of Technology
2018年5月美国能源部(Department of Energy)托马斯·杰斐逊国家加速器设施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)的物理学家宣布，他们首次测量了质子的压力分布，方法是用一束电子束射向一个由氢构成的目标。电子与目标质子内的夸克相互作用。然后，物理学家根据电子从目标散射的方式，确定了整个质子的压力分布。他们的结果显示，质子中有一个高压中心，在它的最高压力点测量到大约10^35帕斯卡，即中子星内部压力的10倍。然而，沙纳汉说他们对质子压力的描述是不完整的。Shanahan说：我们发现了一个非常显著的结果
但这一结果受制于一些重要的假设，由于理解的不全面，这些假设是必要的。具体来说，研究人员是根据质子夸克之间的相互作用而不是胶子之间的相互作用来估算压力。质子由夸克和胶子组成，它们在质子内部以动态和波动的方式持续相互作用。杰佛逊实验室研究小组只能用它的探测器来确定夸克的贡献，沙纳汉说，这种探测器遗漏了质子的很大一部分压力贡献。在过去的60年里，我们对夸克在质子结构中的作用有了相当好的理解，但是胶子的结构非常非常难理解，因为众所周知，它很难测量或计算。
胶子转变
沙纳汉和德模用具没有使用粒子加速器来测量质子的压力，而是通过使用超级计算机来计算夸克和胶子之间相互作用来研究胶子在质子压力中的作用。沙纳汉说：在质子内部，存在着一对夸克、一对反夸克以及胶子组成的泡量子真空，有出现也有消失，我们的计算包括了所有这些动态波动。为此，研究小组在物理学中使用了一种被称为晶格QCD技术，用于量子色动力学，这是一组描述强作用力的方程，强作用力是粒子物理学标准模型的三种基本作用力之一(另外两个是弱力和电磁力)。这种强大的力将夸克和胶子结合在一起，最终形成质子。点阵QCD计算使用四维点阵来表示空间的三维和时间的一维。
核物理学家发现，质子的组成部分夸克在质子中心附近受到10^35帕斯卡的压力，大约是中子星中心压力的10倍。图片：DOE's Jefferson Lab
研究人员利用晶格上定义的量子色动力学方程计算了质子内部的压力。沙纳汉解释说：这需要大量的计算，所以我们使用世界上最强大的超级计算机来进行这些计算。研究小组花了大约18个月的时间，在几个不同的超级计算机上运行了夸克和胶子的不同构型，然后测定了从质子中心到边缘每个点的平均压强。与Jefferson实验室的结果相比，Shanahan和Detmold发现，通过加入胶子的贡献，质子中的压力分布发生了显著的转变。沙纳汉说：我们第一次研究了胶子对压力分布的贡献，真的可以看到，与之前的结果相比，胶子峰变得更强了，压力分布从质子中心向外延伸得更远了。
换句话说，质子的最高压强似乎是10^35帕斯卡左右，是中子星的10倍，与杰斐逊实验室研究人员的报告类似。周围的低压区比先前估计的延伸得更远。要证实这些新的计算结果，需要更强大的探测器，比如电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider)，物理学家打算用它来探测质子和中子的内部结构，比以往任何时候都要详细，包括胶子。对胶子在质子中作用的定量研究还处于早期阶段，通过结合实验测量的夸克贡献，以及我们对胶子的新计算，得到了质子压力的第一张完整图片，这个预测可以在未来10年内在新的对撞机上得到验证。
博科园-科学科普｜研究/来自: 麻省理工学院/by Jennifer Chu
参考期刊文献:《物理评论快报》,《自然》
DOI:10.1038/s41586-018-0060-z
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