麻省理工学院的物理学家首次计算出了质子内部的压力分布。他们发现质子的高压核心产生的压力向外，而周围区域产生的压力向内。
phys.org网站2月22日报道，《物理评论快报》杂志载文称，中子星是宇宙中已知密度最大的天体之一，它承受着巨大的压力。一茶匙的中子星物质的质量大约是月球质量的15倍。然而“天外有天”，作为构成宇宙中大部分可见物质的基本粒子——质子，其内部压力更高。美国麻省理工学院（MIT）的物理学家们首次通过考虑夸克和胶子(质子的基本亚核成分)的压力贡献比例，计算出了质子的压力分布，发现其结构中包含一个高压核心。质子结构中的最高压力，甚至比中子星内部产生的压力还要巨大。高压核心产生的压力是向外的，周围区域产生的压力向内。相互“竞争”的压力作用使得质子的整体结构趋于稳定。论文第一作者、MIT物理学助理教授Phiala Shanahan说：“虽然压力只是质子的一个基本方面，但我们对其知之甚少。现在，我们发现质子中心的夸克和胶子产生了显著的外压强，而在边缘更远处存在围压。根据以上结果，我们就有可能了解质子结构的全貌了。” Shanahan和论文合著者、MIT物理学副教授William Detmold共同开展了这项研究。
早在2018年5月，美国能源部托马斯?杰斐逊国家加速器实验室(下文简称TJNAF)的物理学家曾宣布，他们利用粒子加速器，根据电子的散射方式，确定了整个质子的压力分布。他们认为质子中有一个高压中心，最高压力为1035帕斯卡，约为中子星内部压力的10倍。然而，Shanahan认为TJNAF对质子压力的描述是不完整的。Shanahan 解释说：“他们的发现很重要，但因为结果受制于假设的限制，还欠缺完整性。”具体来说，TJNAF的研究人员是根据质子中夸克之间的相互作用来估算压力的，忽略了胶子的贡献。而在实际情况下，夸克和胶子在质子内部以动态和波动的方式持续相互作用。TJNAF的测量结果遗漏了胶子的压力贡献，并且其所占比例还不低。
Shanahan和Detmold转而采用超级计算机计算夸克和胶子之间的相互作用来研究胶子在质子压力中的作用。Shanahan说:“我们的计算方式涵盖了所有的动态波动。”为此，Shanahan等使用了格点QCD的技术，这是用于量子色动力学中描述强作用力的方法。研究人员花费了大概18个月的时间，在多个超级计算机上模拟了夸克和胶子的不同构型，并测算了从质子中心到边缘的每个点的平均压强。Shanahan等发现，与TJNAF的结果相比，引入胶子的压力贡献，质子中的压力分布发生了显著的变化。Shanahan说：“我们确实发现，与之前的结果相比，压力峰变得更强了，压力分布从质子中心向外延伸得更远了。”
要证实这些新的计算结果，还需要更强大的探测仪器，例如电子-离子对撞机。物理学家打算用它来探测质子和中子的内部结构，以获取前所未有的详细信息。Shanahan说：“我们对胶子在质子中所起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压力贡献，以及胶子压力贡献的新计算结果，我们得到了关于质子压力的首张完整图片。这个预测或许可以在未来10年内，在新的对撞机上得到验证。”
编译：雷鑫宇
审稿：三水
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