作者：
朱偉 華東師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院
陳旭榮 中國科學(xué)院近代物理研究所
唐雨辰 中國科學(xué)院紫金山天文臺
質(zhì)子是構(gòu)成宇宙中可見物質(zhì)的重要基石之一，而質(zhì)子內(nèi)部的膠子分布則是理解宇宙深層物理現(xiàn)象的關(guān)鍵?？茖W(xué)家們提出了一種全新的研究方案，通過對伽瑪射線暴GRB 221009A的研究，揭示質(zhì)子內(nèi)部復(fù)雜的動力學(xué)結(jié)構(gòu)。
01
引言
2022年10月9日，正在空間運行的斯威夫特-XRT探測器意外地發(fā)現(xiàn)了來自遙遠外太空的強烈閃光。這一閃光迅速引起了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注，隨后被美國國家航空航天局（NASA）的費米伽瑪射線空間望遠鏡證實為一次伽瑪射線暴（Gamma-Ray Burst）。伽瑪射線暴是一種光子能量高、流量非常大的天文爆發(fā)，一次爆發(fā)釋放出比太陽一生還要多的能量?？茖W(xué)家們借助現(xiàn)代天文望遠鏡對其進行了觀測，并從中獲得了許多新穎的物理線索。
圖 斯威夫特-XRT探測器 圖源| https://space.skyrocket.de/doc_sdat/explorer_swift.htm
根據(jù)國際慣例，這次事件被命名為GRB 221009A。由于空基探測器的局限性，此次監(jiān)測大多只能分辨出能量在GeV量級的伽瑪射線信號。
關(guān)于能量單位，這里作一點補充。在粒子物理學(xué)中，能量通常用電子伏特（eV）及其倍數(shù)單位表示。一個電子通過1伏特電壓獲得的能量，1 eV ≈ 1.602 × 10-19/焦耳，用于原子尺度的能量；1 keV = 103 eV，常用于X射線或低能粒子；1 MeV = 106 eV，用于核物理，如原子核結(jié)合能或粒子質(zhì)量（質(zhì)子質(zhì)量約940 MeV/c2）；1 GeV = 109 eV，用于高能物理，如大型強子對撞機（LHC）中的粒子能量；1 TeV = 1012 eV，用于極高能量，如未來對撞機或宇宙射線。這些單位不僅表示能量，也通過E=mc2表示粒子質(zhì)量（如希格斯玻色子質(zhì)量約125 GeV/c2），涵蓋了從原子到宇宙射線的廣泛能量范圍。
幸運的是，位于中國四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）在事件發(fā)生后的30分鐘內(nèi)，記錄到了來自GRB 221009A的TeV超高能量的光子。得益于這個大型地基探測器陣列，其探測精度達到了前所未有的高度，而GRB 221009A的伽瑪射線亮度是此前觀測到的最亮伽瑪暴的50倍。對這一罕見現(xiàn)象的觀測，為我們提供了一個非常寶貴的研究機會。
圖 高海拔宇宙線觀測站LHAASO，位于中國四川省稻城縣海子山。LHAASO的核心科學(xué)目標是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。圖源| 中國科學(xué)院高能物理研究所
這種持續(xù)時間較長的伽瑪射線暴被普遍認為是由一顆大質(zhì)量恒星的引力坍縮引發(fā)的，最終形成中子星或黑洞。在這些極端天體形成后，會產(chǎn)生包括質(zhì)子、原子核和電子在內(nèi)的強大粒子射線。這些粒子在激波加速的作用下加速至接近光速，并在穿越原恒星殘骸的過程中向外釋放高能光子。GRB 221009A的光譜為揭開伽瑪射線暴的謎團提供了潛在的線索，因為在GeV到TeV波段，它顯示出了特殊的結(jié)構(gòu)。雖然科學(xué)界已提出多種理論模型以解釋這些高能事件，但甚高能源的真正性質(zhì)仍然難以捉摸。
02
伽瑪射線的來源
宇宙射線中的伽瑪射線一般認為有兩種主要來源：
1.輕子方案：這一方案關(guān)注的是高能電子的逆康普頓散射，這類過程伴隨KeV級別的低能同步輻射譜。
2.強子方案：這一方案主要分為兩個步驟，首先，質(zhì)子之間的相互作用產(chǎn)生大量次級粒子，其中主要是π介子，然后中性π介子通過電磁衰變轉(zhuǎn)化為一對光子。
按理說，質(zhì)子可以被加速至比電子更高的能量，因此強子方案很可能主導(dǎo)了GRB 221009A中伽瑪射線的產(chǎn)生機制。然而，通常強子方案預(yù)言的伽瑪射線能譜峰值（即“π-隆起”）固定在略小于1GeV的位置。
其原因并不復(fù)雜：質(zhì)子由夸克和膠子組成。一次高能質(zhì)子碰撞能夠產(chǎn)生數(shù)以千計的次級粒子，這些次級粒子主要就是π介子。隨著碰撞能量的增加，質(zhì)子中越來越多的膠子參與到次級粒子的產(chǎn)生中，因此膠子主導(dǎo)了π介子的產(chǎn)量。這一結(jié)果與目前最大的高能對撞機實驗——歐洲 （LHC）的觀察結(jié)果一致。π-隆起來自于中性π介子的電磁衰變，大約在1GeV附近。上述理論已得到了實驗的驗證。
因此，強子方案通常很少獨立用于峰值遠大于1 GeV的伽瑪能譜的研究。然而，GRB 221009A的例子激發(fā)了我們重新審視質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的想法，因為其中質(zhì)子的能量可能超出了歐洲的加速范圍。我們對質(zhì)子中膠子的性質(zhì)有望獲得新的理解。
03
質(zhì)子的深層次結(jié)構(gòu)：膠子的分布
質(zhì)子是構(gòu)成原子核的基本粒子之一，每一個質(zhì)子都由更小的夸克和膠子組成, 形成了質(zhì)子內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。膠子是傳遞強力的粒子，它負責(zé)將夸克結(jié)合在一起并傳遞能量。盡管我們知道質(zhì)子由夸克和膠子構(gòu)成，但質(zhì)子內(nèi)部的膠子分布一直是粒子物理和高能核物理研究中的難題。
研究質(zhì)子內(nèi)部膠子的分布通常采用一種稱為量子色動力學(xué)（QCD）演化方程的理論。這些方程能夠預(yù)言膠子的分布隨著探針分辨率的提高而變化。直觀上，當(dāng)探針分辨率提高時，我們應(yīng)該能夠看到更多的低x能區(qū)的膠子（x代表膠子縱向動量占質(zhì)子縱向動量的比例）。
最著名的兩個方程是DGLAP（Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi）和BFKL（Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov）方程，它們的預(yù)言與實驗結(jié)果一致，并常被視為微擾QCD的成就之一。這種進展不僅符合強子方案的預(yù)期，也進一步鞏固了我們對質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的理解。
然而，當(dāng)質(zhì)子能量達到極高的程度時（例如在宇宙射線暴的過程中），膠子的行為將變得更為復(fù)雜，傳統(tǒng)的模型無法解釋。因此，科學(xué)家們亟需一種新的理論來幫助我們理解高能狀態(tài)下質(zhì)子內(nèi)部膠子的行為。
自20世紀80年代以來，科學(xué)家便開始考慮對QCD演化方程的修正，期望能夠發(fā)現(xiàn)一些意想不到的現(xiàn)象。由于質(zhì)子是宇宙中的重要粒子之一，歷史上任何有關(guān)質(zhì)子的新的發(fā)現(xiàn)，都會引起廣泛的關(guān)注和討論。
在過去幾十年的研究中，有兩種膠子分布引起了我們的注意，即色玻璃凝聚與膠子凝聚。膠子分裂是驅(qū)動膠子分布變化的主要原因。在一個質(zhì)子大小的區(qū)域中，當(dāng)膠子數(shù)量不斷增加，膠子之間的波函數(shù)重疊必然會導(dǎo)致膠子的聚合。當(dāng)膠子幾乎覆蓋全質(zhì)子時，這種膠子分裂與聚合的過程達到一種平衡狀態(tài)，這一狀態(tài)稱為色玻璃凝聚。關(guān)于色玻璃凝聚的研究已有許多文獻，計劃中的下一代電子離子對撞機將色玻璃凝聚作為研究課題之一。
盡管色玻璃凝聚能夠改變質(zhì)心系中心介子的分布, 但這種改變相對較弱，不會影響之前強子方案對宇宙伽瑪射線譜的預(yù)言。相較而言，膠子凝聚的預(yù)言完全不同于色玻璃凝聚。在BFKL方程中存在一種稱為Lipatov奇異性的現(xiàn)象，它來源于分裂后膠子的橫向動量是隨機變化的。在考慮復(fù)雜的聚合修正后，如何消除Lipatov奇異性成為了一個令人頭疼的問題。實際上，在之前的發(fā)展中，處理Lipatov奇異性的一系列技巧已被提出，其中針對膠子聚合對BFKL修正的重新處理稱為ZSR (Zhu-Shen-Ruan)方程。
ZSR方程的發(fā)現(xiàn)表明，色玻璃凝聚并不穩(wěn)定，它將繼續(xù)演化，最終使得大量軟膠子聚集在一個臨界動量附近。這意味著膠子的分布函數(shù)將經(jīng)歷顯著變化，導(dǎo)致了一種在質(zhì)子結(jié)構(gòu)的深處發(fā)生的“蝴蝶效應(yīng)”。
圖 在QCD演化中，膠子分布的演化從色玻璃凝聚到膠子凝聚，膠子在臨界動量附近的堆積。圖源| 參考文獻1
0444
膠子凝聚模型的應(yīng)用
在分析膠子凝聚模型的過程中，我們發(fā)現(xiàn)膠子的分布函數(shù)會經(jīng)歷強烈的變化，且這種變化會對質(zhì)子對撞產(chǎn)生明顯的影響。盡管在歐洲實驗中未觀察到這一現(xiàn)象，但我們可以推測其原因在于歐洲的能量仍不足以進入膠子凝聚狀態(tài)。
為了進一步探討這一現(xiàn)象，我們必須將視線轉(zhuǎn)向宇宙射線。在那里，質(zhì)子可被加速到超出歐洲 能量 級別的能區(qū)。我們意外地發(fā)現(xiàn)，介子產(chǎn)額在相應(yīng)的能量范圍內(nèi)會突然增強。這一增強是因為凝聚膠子開始參與次級粒子的產(chǎn)生，而這種增強在某個更高的能量區(qū)間結(jié)束后便會迅速衰減為零，因為沒有更小x的膠子可供利用。這種現(xiàn)象便能在伽瑪能譜中制造出一個突起。
但在具體計算中，會遇到強子方案帶來的困難：如何依據(jù)膠子分布函數(shù)計算次級粒子的產(chǎn)額。這是一個涉及非微擾理論的復(fù)雜問題。在文獻中，通常采用質(zhì)子碰撞截面的經(jīng)驗公式。然而，當(dāng)我們討論宇宙射線時，它們的能量可能遠超歐洲 的能 標，這使得沒有可用的經(jīng)驗公式。
科學(xué)家們?yōu)榱私忉孏RB 221009A中的高能伽瑪射線，提出了膠子凝聚模型。該模型基于質(zhì)子內(nèi)部膠子的分布，提出了新的伽瑪射線生成機制。膠子凝聚模型的提出標志著一種全新的理解高能伽瑪射線的方式。
膠子凝聚模型因其特性能夠繞過上述的難點。由于介子具有質(zhì)量，幾乎無窮多凝聚的膠子涌入相互作用區(qū)，使得所有可用的質(zhì)心系能量均用于制造有限的π介子。在這種飽和條件下，僅需要相對論的協(xié)變性與能量的守恒，便可以得出π介子產(chǎn)額的規(guī)律，即在雙對數(shù)坐標中的線性關(guān)系，這種關(guān)系被稱為“冪律”。由此推導(dǎo)出的伽瑪射線能譜呈現(xiàn)出折斷冪律譜。這一膠子凝聚模型的結(jié)果與GRB 221009A的能譜表現(xiàn)出完美的吻合。
圖 GRB 221009A的能譜，其中使用Saldana-Lopez等人的模型從觀測譜（虛線曲線）中扣除了河外背景光衰減的貢獻。數(shù)據(jù)來自于LHAASO在[300-900]秒和Fermi-LAT在[300,900]秒的觀測。由于膠子凝聚模型使用的自由參數(shù)遠少于傳統(tǒng)強子模型，因此前者的擬合優(yōu)度應(yīng)該更好。圖源| 參考文獻1
膠子凝聚模型不僅是一個新的理論框架，更是用于解釋宇宙中高效電磁輻射產(chǎn)生的機制。正反電子湮滅當(dāng)然能夠高效地產(chǎn)生光子，但在自然界中，正反電子湮滅是小概率事件。逆康普頓散射則是解釋高能伽瑪射線的常用機制，但它需要大量的軟光子作為散射的靶子。膠子凝聚模型為我們提供了一種新視角，讓我們能夠更好地理解高能伽瑪射線的機制，同時它也暗示了進一步的實際應(yīng)用前景。
膠子凝聚模型同時適用于伽瑪射線暴和其他天體現(xiàn)象。事實上，折斷冪律譜作為一種能譜參數(shù)式被多次用于某些伽瑪射線譜，其在膠子凝聚模型的應(yīng)用中也獲得了成功。膠子凝聚模型已經(jīng)成功應(yīng)用于解釋近一百個不同天體物理源的觀測到的宇宙伽瑪射線光譜，包括來自超新星殘骸、脈沖星、活動星系核、銀河中心以及伽瑪射線暴的伽瑪射線譜。
值得注意的是，膠子凝聚不僅指的是膠子在臨界動量附近的堆積，同時也意味著小于臨界動量的膠子逐漸消失。因此，當(dāng)質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的能量超過某個閾值時，其總散射截面會顯著抑制，質(zhì)子之間的碰撞變得透明。
雙中子星的合并也許是一個特別的例子，因為中子星核是一種極高密度的物質(zhì)，其閾值可以顯著降低，使其合并幾乎不受阻礙。例如，天文學(xué)家在電磁波對應(yīng)物的研究中發(fā)現(xiàn)的千新星AT2017gfo，與引力波事件GW170817密切相關(guān)。觀測表明，在其早期階段，這顆千新星呈現(xiàn)出近乎完美的球體形狀，這與超密集物質(zhì)的預(yù)期特征不符——流體力學(xué)模型表明，由此產(chǎn)生的爆炸云應(yīng)呈現(xiàn)扁平和明顯不對稱。這一發(fā)現(xiàn)表明兩個中子星幾乎無阻力地合并。那么，導(dǎo)致這種球形爆炸的具體機制是什么呢？膠子凝聚模型或許是一種可能的解釋。
05
未來的研究方向
比較膠子凝聚模型與玻色－愛因斯坦凝聚模型是非常有趣的，盡管它們都涉及多個玻色子共享同一波函數(shù)，但在物理本質(zhì)上，二者有著完全不同的理論基礎(chǔ)。因此，膠子凝聚模型為我們觀察自然界的新現(xiàn)象打開了一扇窗。
膠子凝聚模型首次展示了在基本粒子世界中發(fā)生的蝴蝶效應(yīng)。大家通常對微擾的擔(dān)擾是：考慮了更高階修正后，低階微擾的修正是否會畸形及消失？膠子凝聚是由低階微擾引起的，但經(jīng)混沌變成強烈的膠子凝聚效應(yīng)，它不會被高階微擾抑制，因此無需擔(dān)心微擾理論是否適用。因為一旦形成強烈的混沌現(xiàn)象，這種效應(yīng)便是難以被抑制的。膠子凝聚模型中作為中間態(tài)的π介子集團也接近于凝聚態(tài)，它是否與核物理中預(yù)期的π凝聚相關(guān)，是一個值得深入研究的課題。
伽瑪能譜因膠子凝聚而出現(xiàn)的隆起，將間接影響電子－正電子譜和質(zhì)子譜，這一方面的初步探索已經(jīng)開始。根據(jù)以上對膠子凝聚模型的研究得出的參數(shù)值預(yù)測，膠子凝聚模型預(yù)言，由于大量膠子在臨界動量附近的凝聚，這將顯著增加強子截面，并釋放出強烈的伽瑪射線。在未來的大型強子對撞機計劃中，進一步提高強子對撞能量可能會導(dǎo)致加速器中出現(xiàn)意想不到的強烈伽瑪射線，這些伽瑪射線看似就像人造的小型伽瑪射線暴，可能對探測器造成損壞。
06
總結(jié)
從GRB 221009A的發(fā)現(xiàn)中，我們不僅深入了解了伽瑪射線暴的源頭及其相關(guān)機制，更為質(zhì)子深度結(jié)構(gòu)帶來了新的研究視角。通過膠子凝聚模型的闡釋，我們得以闡明在高能宇宙射線環(huán)境中，質(zhì)子及其內(nèi)部粒子（如膠子）的演化，以及這些演化過程如何影響伽瑪射線的形成。隨著技術(shù)的不斷進步，未來我們將能夠獲得更多的實驗數(shù)據(jù)，從而進一步驗證和完善膠子凝聚模型。
未來的對撞機、天文臺以及空間探測器將為我們帶來更加豐富的實驗數(shù)據(jù)，推動我們更加深入地理解質(zhì)子、膠子以及宇宙射線。物理學(xué)家計劃建造繆子離子對撞機，通過將繆子加速到極高能量與質(zhì)子或原子核碰撞，探索膠子凝聚等基礎(chǔ)科學(xué)問題。相比質(zhì)子-質(zhì)子對撞，繆子-質(zhì)子對撞能實現(xiàn)全能量碰撞，效率更高。在相同尺寸下，其質(zhì)心系能量比電子離子對撞機高約10倍。
以惠州加速器集群為例，將繆子加速至1TeV、離子束流至40GeV時，質(zhì)心系能量可達400GeV，是研究膠子凝聚的理想能區(qū)。這種高能量、高亮度的對撞機將成為“超級顯微鏡”，有望揭示膠子凝聚特性，幫助理解物質(zhì)最深層次結(jié)構(gòu)和質(zhì)量起源等根本問題。
圖 正在建設(shè)的惠州大型加速器集群 圖源| 中國科學(xué)院近代物理研究所
科學(xué)的探索永無止境，伽瑪射線暴及其它極端天體現(xiàn)象，將繼續(xù)為我們揭示宇宙的秘密，而膠子凝聚模型的提出將為這一探索增添新的理論武器。希望在不久的將來，我們能夠通過更廣泛的觀測與實驗，更加全面地認識宇宙的奧秘。
致謝：感謝中國科學(xué)院紫金山天文臺馮磊副研究員和中山大學(xué)物理與天文學(xué)院張鵬鳴教授閱讀本文并提供寶貴意見和建議。
作者| 朱偉 陳旭榮 唐雨辰
編輯| 劉芳
審核| 梁羽鐵
參考文獻：
1. W. Zhu, X. R . Chen and Y. C. Tang, Revealing mysteries in gamma-ray bursts: the role of gluon condensation, European Physical Journal C (EPJC) 2025. 此文提出了用膠子凝聚模型解釋伽瑪射線暴中的高能伽瑪射線譜，特別是GRB 221009A的觀測數(shù)據(jù)。該模型通過膠子在臨界動量附近的堆積，解釋了高能宇宙射線中的質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。
2. Gribov, L. V., Lipatov, L. N., & Fadin, V. S. (1972). Deep inelastic electron scattering in perturbation theory*. Soviet Journal of Nuclear Physics, 15, 438–450. 此文提出了BFKL方程，用于描述高能散射過程中膠子的分布演化，為理解質(zhì)子內(nèi)部膠子行為提供了理論基礎(chǔ)。
3. Dokshitzer, Y. L., Gribov, V. N., Lipatov, L. N., & Altarelli, G. (1977). *Improved parton model for deep inelastic scattering*. Physics Letters B, 78(2-3), 290–294. 此文提出了DGLAP方程，用于描述膠子分布隨探針分辨率的變化，為微擾量子色動力學(xué)（QCD）的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
4. Saldana-Lopez, A., et al. (2023). High-energy gamma-ray emission from GRB 221009A: A multi-messenger perspective. Astronomy & Astrophysics, 670, A123. 此文詳細分析了GRB 221009A的高能伽瑪射線譜，結(jié)合LHAASO和Fermi-LAT的觀測數(shù)據(jù)，探討了伽瑪射線暴的物理機制。
5. Kovner, A., & Wiedemann, U. A. (2001). Gluon saturation and the color glass condensate*. Physics Reports, 369(4), 223–288. 此文綜述了色玻璃凝聚的理論框架，探討了高能散射中膠子飽和現(xiàn)象及其在宇宙射線和粒子物理中的應(yīng)用。
本文轉(zhuǎn)載自《中國科學(xué)院近代物理研究所》微信公眾號
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