@ 2018.05.21 , 12:00

重磅:质子内部压力是中子星的十倍

重磅:质子内部压力是中子星的十倍

这曾被认为是不可能完成的任务。如今,物理学家首次测得质子内部的压力,结果超乎想象。他们用高能电子轰击质子,测得夸克的推力与拉力。美国托马斯杰斐逊国家加速器实验室的物理学家Latifa Elouadrhiri打了个比方:如今,我们拥有医学3D成像技术,医生能够以非侵入的方式了解心脏结构;新一代物理实验也是如此。

质子是宇宙中最稳固的基本构件,由3个夸克组成——2个上夸克、1个下夸克,它们通过强核力(强相互作用)结合在一起。除此之外,质子的内部结构一直是个谜团。显然,这些夸克紧密结合着,但似乎又存在某种排斥力,以免它们坍塌成一个点。

如今,为探究夸克的结合情况,研究人员结合了两种不同的理论框架——其中一种曾被认为无法直接实施。我们可以通过“引力形状因子”,测得质子内部粒子的能量和动量。我们知道,引力非常弱。在粒子物理学中,它很少被考虑。然而,深入质子内部时,粒子的能量和动量会影响引力场。

1966年,美国物理学家海兹·帕各斯在描述这个过程时,也排除了实际应用的可能性——因为引力实在太弱了。但他没有料到,随着理论物理学的发展,电磁力和引力形状因子产生了联系。换句话说,科学家后来发现,电子可以用来探测引力。其中的关键在于利用“康普顿效应”——描述光子和带电粒子(如电子)的相互作用。

这回,研究人员用高能电子轰击光子,然后观察光子的散射情况,判断夸克对撞击的反应。他们根据散射情况推断能量和动量,进而推断质子中心的向外推力——向外的推力等于向内的压力。结果显示:夸克内部承受着10^35帕斯卡的压力,这比中子星的压力还高十倍。

接下来,研究团队将继续利用这种方法,探究质子的内部机制,希望最终能够破解夸克的运动方式。了解质子的内部结构有助于我们探究它的衰退机制,进而揭晓宇宙的某些基本特征。目前看来,他们似乎足够稳定,寿命可以超过宇宙。

本研究发表于《Nature》。

本文译自 sciencealert,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。
原作者:MIKE MCRAE


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