質(zhì)子是一種會(huì)出現(xiàn)在每個(gè)原子中心的帶正電荷的粒子，它是原子核的組成部分，占宇宙可見(jiàn)物質(zhì)的99%以上。質(zhì)子也是自然界中唯一穩(wěn)定的復(fù)合基礎(chǔ)構(gòu)件?？梢赃@么說(shuō)，深入了解這種粒子和它的結(jié)構(gòu)，將對(duì)所有物理學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。
然而，核物理學(xué)家已經(jīng)證實(shí)，目前對(duì)質(zhì)子結(jié)構(gòu)描述的進(jìn)展并不是一帆風(fēng)順。
托馬斯·杰斐遜國(guó)家加速器設(shè)施針對(duì)質(zhì)子的電極化率進(jìn)行的一項(xiàng)新的精確測(cè)量顯示，在探測(cè)質(zhì)子結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)中存在一個(gè)異常的凸起。盡管在早期的測(cè)量中已經(jīng)看到了這一現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為那是一種統(tǒng)計(jì)上的偏差。然而，近期更精確的測(cè)量卻再次證實(shí)了這種異?，F(xiàn)象的存在，并提出了關(guān)于它的來(lái)源的關(guān)鍵問(wèn)題。研究論文已發(fā)表在《自然》上。
復(fù)雜的內(nèi)部
我們可能經(jīng)常會(huì)看到這樣一幅示意圖，它描繪了質(zhì)子內(nèi)部的基本構(gòu)成，也就是三個(gè)夸克。
常見(jiàn)的質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化示意圖。
當(dāng)然，這極大地簡(jiǎn)化了實(shí)際情況。事實(shí)上，質(zhì)子內(nèi)部的夸克被強(qiáng)相互作用束縛，量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）理論描述了這種相互作用是如何以膠子作為媒介的，這個(gè)過(guò)程類(lèi)似于量子電動(dòng)力學(xué)（QED）中光子介導(dǎo)了電磁相互作用的方式。
質(zhì)子內(nèi)部實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜，膠子將夸克緊緊束縛在一起，而膠子和被束縛的粒子之間同樣會(huì)產(chǎn)生相互作用，此外，它的內(nèi)部還可能短暫出現(xiàn)又隨即消失的夸克-反夸克對(duì)。
但與光子不同的是，膠子與它們束縛的粒子之間同樣會(huì)產(chǎn)生相互作用。這就讓計(jì)算的難度陡增，并且常常讓直接的QCD碰撞預(yù)測(cè)超出現(xiàn)有算力的范疇。
因此，研究人員通常需要依賴近似的方法，其中之一就被稱(chēng)為手性有效場(chǎng)論。根據(jù)手性有效場(chǎng)論，他們可以推測(cè)出質(zhì)子許多可能的行為模式和屬性。
測(cè)量極化率
與尺寸或電荷一樣，電極化率也是質(zhì)子結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)基本屬性。對(duì)質(zhì)子的電極化率的測(cè)量，揭示了質(zhì)子在電場(chǎng)中對(duì)變形或拉伸的敏感程度。
更重要的是，對(duì)質(zhì)子電極化率的精確測(cè)定，可以幫助彌合對(duì)質(zhì)子的不同描述。我們還是把質(zhì)子想象成一個(gè)模型，中間是三個(gè)平衡的夸克?，F(xiàn)在，將它放進(jìn)電場(chǎng)中?？淇藥в姓娀蜇?fù)電，它們會(huì)向相反的方向移動(dòng)。因此，電極化率能反映質(zhì)子有多容易被電場(chǎng)扭曲。這也就能幫助我們探測(cè)質(zhì)子的次級(jí)結(jié)構(gòu)。
為了探測(cè)這種扭曲，核物理學(xué)家使用了一種叫作虛擬康普頓散射的過(guò)程。在虛擬康普頓散射中，電子通過(guò)發(fā)射一個(gè)高能光子（光的粒子）而與其他粒子產(chǎn)生相互作用。電子的能量決定了它所發(fā)射的光子的能量，這也決定了光子如何與其他粒子相互作用。
在虛擬康普頓散射反應(yīng)中產(chǎn)生的真實(shí)光子，為質(zhì)子帶來(lái)了電磁擾動(dòng)，從而讓科學(xué)家測(cè)量質(zhì)子的電磁廣義極化率。（圖／Nikos Sparveris, Temple University）
能量較低的光子可能會(huì)從質(zhì)子的表面反彈回去，而能量較高的光子則會(huì)在質(zhì)子內(nèi)部爆炸，與質(zhì)子的一個(gè)夸克發(fā)生相互作用。理論預(yù)測(cè)，隨著越來(lái)越深入原子，電極化率應(yīng)該越小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)會(huì)變得越“硬”。當(dāng)這些光子-夸克相互作用按照從低能量到高能量被繪制出來(lái)時(shí)，它們將形成一條平滑的曲線。
早在2000年，一組研究人員已經(jīng)利用電子和液氫之間碰撞產(chǎn)生的虛擬光子的康普頓散射來(lái)測(cè)量質(zhì)子的電磁廣義極化率。如果質(zhì)子具有那種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)測(cè)量結(jié)果似乎與手性有效場(chǎng)論所預(yù)測(cè)的散射模式并不一致。但它帶有很大的不確定性，很多人對(duì)這一結(jié)果仍有所保留。
這項(xiàng)新的研究以更高的精度重復(fù)了康普頓散射實(shí)驗(yàn)。它始于杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施的一束精心控制的高能電子束。這些電子被送入質(zhì)子中碰撞。
然而，那種簡(jiǎn)單的圖景似乎真的經(jīng)不起推敲。測(cè)量結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)尚未被解釋的凸起。科學(xué)家真正看到的是，極化率的大小出現(xiàn)了一些局部增強(qiáng)。正如預(yù)期的那樣，隨著能量的增加，極化率會(huì)下降。而且，在某個(gè)時(shí)候，在它即將下降之前，它似乎又短暫地上升了。
和先前的實(shí)驗(yàn)相比，新的實(shí)驗(yàn)中這個(gè)凸起要小一些。但總的說(shuō)來(lái)，實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果好像的確偏離了那種理論預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單行為。而這就是目前最讓科學(xué)家感到困惑的事實(shí)。
未知的因素
仍有一些物理學(xué)家對(duì)這一結(jié)果持懷疑態(tài)度，顯然，還需要更多高精度的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步弄清這種異?，F(xiàn)象的細(xì)節(jié)。
如果這種異常最終被證實(shí)，這或許告訴我們，強(qiáng)力的一個(gè)未知方面可能在起作用，而目前的理論在這一點(diǎn)上顯然少了一些東西。研究人員相信，更多理論見(jiàn)解或許很快就會(huì)出現(xiàn)。
研究人員下一步計(jì)劃是繼續(xù)更精密探測(cè)，檢查其他的偏差點(diǎn)，并提供更多關(guān)于異?，F(xiàn)象來(lái)源的信息。這對(duì)于進(jìn)一步闡明理論相當(dāng)重要。
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