在质子中测量的漩涡力、压碎的压力

期待已久的用光来模拟引力的实验首次正在揭示在一个亚原子粒子内部能量、力和压力的分布。

PARTICLE PHYSICS

物理学家已经开始来探索质子宛如它是一颗亚原子行星一样。剖面图显示新发现的这种粒子内部的细节。质子的核心特征比任何其他已知形式的物质都更强的压力。到达表面的一半，冲突的力的漩涡相对彼此推。 “行星”作为一个整体比以前的实验已经暗示的更小。

实验调查标志着在乞求来理解锚定每个原子并构成我们世界大部分的粒子中的下一阶段。

弗吉尼亚州纽波特纽斯托马斯杰斐逊国家加速器设施的物理学家拉提法埃罗西里（Latifa Elouadrhiri）说，“我们真的看它为开辟一个全新的将改变我们的观察物质的基本结构的方式的方向” ，他参与了这项努力。

字面上这些实验在质子上照耀一个新的光。几十年来，研究人员已经精心映射出了带正电粒子的电磁影响。但在这项新研究中，杰斐逊实验室的物理学家相反正在映射质子的引力影响即能量、压力和剪切应力的分布，这弯曲粒子中和围绕粒子中的空时织造。研究人员通过利用一种特殊的方式来做其中在这种方式中成对的光子光的粒子能模仿一个引力子，引力子是传达引力的假设粒子。通过用光子碰质子，他们间接的推断引力将如何与质子相互作用，实现一个十几年老的以这种替代方式询问质子的梦想。

     法国巴黎综合理工学院（Ecole Polytechnique）的物理学家塞德里克·洛塞（Cédric Lorcé）说，“这是一次力的旅行，实验上这是极端复杂的”，他没有参与这项工作。

从光子到引力子

在过去的70年里，物理学家通过反复的用电子击中质子已经了解了巨大量的关于质子。他们知道它的电荷从它的中心延伸大约0.8飞米或10^15之一米。他们知道入射的电子往往瞥见三个夸克之一 -有分数电荷的基本粒子 - 在它的内部嗡嗡着。他们还已经观测到量子理论的深刻的奇怪的结果，在那里以更有力的碰撞电子出现遭遇由远更多的夸克和胶子组成的泡沫的海洋，胶子是所谓的强力的携带者，这把夸克粘在一起。

所有这些信息都来自一个单一的设置：你向一个质子发射一个电子，粒子们交换一个光子——电磁力的携带者——并彼此推开。这种电磁相互作用告诉物理学家夸克作为带电物体如何倾向来安排它们自己。但对质子比它的电荷有更多的。

杰斐逊实验室（Jefferson Laboratory）的资深科学家拉蒂法·埃洛阿德里（Latifa Elouadrhiri）领导了从中她和她的合作者现在正在从中计算质子的力学属性数据的收集工作。Courtesy of Latifa Elouadrhiri

涅狄格大学的理论物理学家彼得·施韦策（Peter Schweitzer）问道，“物质和能量是如何分布的？我们不知道” 。

施韦策已经将他的职业生涯的大部分时间花费在思考质子的引力方面。特别是，他对质子的叫能量-动量张量的属性矩阵感兴趣。他说，“能量动量张量知道有要知道关于这个粒子的一切”。

在阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的广义相对论中，将引力吸引定为物体在空时中遵循曲线，能量-动量张量告诉空时如何来弯曲。例如，它描述能量（或等效质量）的排列——这是空时扭曲的最大份额的来源。它还跟踪关于动量如何被分布的信息，以及哪里将会有压缩或膨胀，这也能轻微地弯曲空时。

如果我们能了解一个质子周围的空时形状，俄罗斯和美国物理学家在1960年代独立的弄出了，我们可以推断在它的能量-动量张量中索引的所有属性。这些包括质子的质量和自旋，这已经是已知的，以及质子的压力和力的排列，一个物理学家指之为“德鲁克（Druck）项”的，以德语压力这个词命名。施韦策说，这个项是“与质量和自旋一样重要，没有人知道它是什么” - 尽管这正在开始来改变。

在上世纪60年代，似乎宛如测量能量-动量张量和计算德鲁克项会需要一个通常的散射实验的引力版本：你向一个质子发射一个大质量的粒子，让这两者交换一个引力子——构成引力波的假设粒子——而不是一个光子。但由于引力的极度弱性，物理学家预计引力子散射比光子散射更少39个数量级罕见的发生。实验能够检测到如此一个微弱的效应。

杰斐逊实验室团队成员沃尔克·伯克特（Volker Burkert）说，“我记得当我还是学生时我读到过这个”。要点是，“我们可能的将永远不能够了解关于粒子的力学属性的任何东西。

没有引力的引力

引力实验在今天仍然是不可想象的。但在1990年代末和2000年代初由物理学家姬向东和已故的马克西姆·波利亚科夫（Maxim Polyakov）分别做的研究揭示一种迂回。

一般方案如下。当你向一个质子轻轻发射一个电子时，它通常会向其中一个夸克交付一个光子并瞥一眼。但在不到十亿分之一的事件中，某些特别的事情发生。入射电子发送进一个光子。一个夸克吸收它，然后在一个心跳后发射另一个光子。关键的区别是这种罕见的事件涉及两个光子而不是一个光子——既有入射光子也有向外走的光子。姬和波利亚科夫的计算表明，如果实验者能够收集由此产生的电子、质子和光子，他们就可以从这些粒子的能量和动量中推断两个光子发生了什么。这个双光子实验本质上就像不可能的引力子散射实验将是的一样。

Merrill Sherman/Quanta Magazine

两个光子如何知道任何关于引力呢？答案涉及粗糙的数学。但物理学家提供两种思考为什么这个技巧会起作用的方式。

光子是电磁场中的涟漪，这能被用空间中指明电磁场的值和方向的每个位置的单个箭头或矢量描述。引力子将是空时几何中的涟漪，一个更复杂的场，被每个点的两个向量的结合代表。捕获一个引力子将给物理学家两个信息的向量。这少的，数学的替代解释如下。当一个夸克吸收第一个光子和当它发射第二个光子之间过去的那一刻期间，夸克沿着一条穿过空间的路径。通过探测这条路径，我们能了解围绕那个路径的压力和力等属性。

洛塞说，“我们不是在做一个引力实验”，而是 “我们应该间接获得一个质子应该如何与一个引力子相互作用”。

探测质子行星

杰斐逊实验室的物理学家在2000年一起拼凑了一些双光子散射事件。这一概念的验证动机了他们来建立一个新的实验，在2007年，他们将电子粉碎成质子足够多的次数积累了大约500000次模拟引力子的碰撞。分析实验数据又花了十年时间。

从他们的空时弯曲属性索引中，该团队提取了难以捉摸的德鲁克项，并于2018年在《自然》杂志上发表了他们的质子的内部压力的估计。

他们发现了在质子的心脏，强力产生了难以想象强度的压力——1000亿万亿万亿帕斯卡，或大约是在一颗中子星心脏上压力的10倍。离中心越远，压力下降并最终向内转动，因为质子一定不让炸开它自己。伯克特说，“这是出自实验的，是的，一个质子实际上是稳定的”（然而，这一发现与质子是否衰变无关，这涉及由一些推测理论预测的不同类型的不稳定性。

Merrill Sherman/Quanta Magazine

杰斐逊实验室小组继续分析德鲁克项。他们发布了一个剪切力的估计 - 平行于质子表面的内推力 - 作为12月发表的评论的部分。物理学家发现在靠近它的核，质子体验一种被一个靠近表面的另一个方向中的扭曲抵消的扭曲力。这些测量结果也强调粒子的稳定性。基于来自施韦策和波利亚科夫的理论工作，这些扭曲已经被预料到。埃洛阿德里说，“尽管如此，第一次目睹它从实验中出现真的令人震惊”。

现在，他们正在用这些工具以一种新的方式来计算质子的大小。在传统的散射实验中，物理学家已经观察到粒子的电荷从它的中心延伸约0.8飞米（也就是说，它的组成夸克在该区域中嗡嗡）。但这个“电荷半径”有某些怪癖。例如，在中子的案例中 - 质子的中性对应物，其中两个带负电的夸克倾向于在粒子深处徘徊，而一个带正电的夸克在表面附近花费更多时间 - 电荷半径作为一个负数出来。施韦策说，“这并不意味着尺寸是负的，这刚好不是一个有信心的测量”。

新方法测量被质子重大弯曲的空时的区域。在尚未经过同行评审的预印本中，杰斐逊实验室团队计算出这个半径可能比电荷半径更小约25%，仅为0.6飞米。

行星质子的限制

施韦策说，这种分析平滑掉夸克的模糊舞蹈成一个固体的行星一样的物体，压力和力作用在每个体积的斑点上。这颗冰冻的行星并不能以质子的量子荣耀完全反映喧闹的质子，但它是一个有用的模型。“这是一种解释，”。

物理学家出于几个原因强调最初的映射是粗糙的。

首先，精确测量能量-动量张量会需要比杰斐逊实验室能产生的远更高的碰撞能量。该团队一直努力工作从他们能获得的相对低的能量仔细推断趋势，但物理学家仍然不确定这些推断多准确的。

作为一名学生，沃尔克·伯克特（Volker Burkert）读到直接测量质子的引力属性是不可能的。今天，他参加了杰斐逊实验室的一项正在间接的剔出这些相同的属性的合作。Thomas Jefferson National Accelerator Facility

此外，质子比它的夸克更多，它还含有胶子，胶子会随它们自己的压力和力晃动着。双光子技巧不能检测到胶子的影响。杰斐逊实验室的一个独立团队去年在《自然》（Nature）杂志上发表了这些胶子效应的一个初步引力映射，但它也太基于有限的低能量数据。

布鲁克海文国家实验室的物理学家吉田多田说，“这是第一步”，他在杰斐逊实验室小组2018年的工作后受到启发开始研究引力的质子。

质子的夸克和它的胶子的更清晰的引力映射可能会在2030年代来到，届时目前正在布鲁克海文建造的电子-离子对撞机实验将开始运行。

与此同时，物理学家正在向前推进数字实验。麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的核和粒子物理学家菲亚拉·沙纳汉（Phiala Shanahan）领导着一个从强力方程开始计算夸克和胶子的行为的团队。2019 年，她和她的合作者估计了压力和剪切力，并在 10 月他们估计了半径等其它属性。到目前为止，他们的数字发现已经与杰斐逊实验室的物理发现广泛的对齐。沙纳汉说，“我当然被最近的实验结果和我们的数据之间的一致性相当的兴奋”。

甚至是迄今为止获得的质子的模糊一瞥已经轻轻地重新形成了研究人员的这个粒子的理解。

有些后果是实际的。欧洲核子研究中心（CERN）运行世界上最大的质子粉碎机大型强子对撞机（Large Hadron Collider），物理学家此前已经假设过在某些罕见的碰撞中，夸克可能是在碰撞的质子内的任何地方。但引力上启发的映射提示在这种案例中夸克倾向于在中心附近徘徊。

参与实验的杰斐逊实验室物理学家弗朗索瓦-泽维尔·吉罗德说，“他们用在欧洲核子研究中心的模型已经被更新”。

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新的映射还可能为朝向解决质子最深的谜团之一提供指导：为什么夸克毕竟将它们自己结合成质子。有一种直觉争论，由于每对夸克之间的强力随它们被更远分开增强，就像一根松紧带一样，夸克永远不能逃脱它们的同志。

但质子是由夸克家族中最轻的成员组成的。轻重量夸克也能被认为是延伸超过质子表面的延长波。这张图片提示质子的结合可能不是通过松紧带的内部拉力出来的，而是通过这些波一样的、拉出去的夸克之间的一些外部相互作用。压力映射显示一路延伸到 1.4 飞米及超过的强力的吸引，支持这种替代理论的论点。

吉罗德说，“这不是一个明确的回答，但它指向这些带有松紧带的简单图像与轻夸克不相关的事实”。

https://www.quantamagazine.org/swirling-forces-crushing-pressures-measured-in-the-proton-20240314/