初窥质子内部：核子质量结构半径小于电荷半径

质子，在所有意义上，都是已知物质的核心。它的特性定义了化学，控制着将原子构建成分子，并统领令人眼花缭乱的电子团队。

首先，我们要知道什么是质子。质子是一种亚原子粒子，也就是构成原子核的基本单位之一。质子由三个夸克(quark)组成，分别是两个上夸克(up quark)和一个下夸克(down quark)。夸克之间通过胶子(gluon)交换强相互作用力而结合在一起。质子的质量约为1.67×10^-27千克，而它的大小(也就是半径)约为0.84×10^-15米。

然而，质子的质量和大小并不是简单地由它的组成部分决定的。事实上，大部分的质量并不来自于夸克本身，而是来自于胶子和夸克之间的运动能量。这就是著名的爱因斯坦方程E=mc^2的体现，即能量和质量是等价的。而质子的大小，则受到了夸克和胶子之间相互作用力的影响，这种力随着距离的增加而减弱，导致了质子内部有不同的密度分布。

就我们对其行为的所有了解而言，质子的内部结构还是一团乱麻。

为了探测质子的内部结构，物理学家使用了一种叫做深度非弹性散射(deep inelastic scattering)的技术。这种技术利用了高能电子束对质子进行碰撞，从而观察散射出来的电子和其他粒子。通过分析散射角度和能量，可以推断出质子内部不同区域的密度和动量分布。这就像用X光对人体进行扫描一样，可以看到不同器官的形状和位置。

在最新的实验中，物理学家使用欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上的探测器——LHCb，可以精确地测量散射电子和其他粒子的轨迹和能量，从而提供了更高分辨率的质子内部图像。

实验结果显示，质子内部有三个不同的区域：一个中心区域，一个过渡区域和一个外围区域。每个区域都有不同的密度和动量分布，反映了不同程度的强相互作用力。

这个发现对于理解基本粒子和物质性质有重要意义。它表明了质子并不是一个均匀且简单的粒子，而是一个复杂且多层次的系统。

来自美国各地的研究人员能够测量称为胶子的微小基本粒子的运动(以前被称为质子的胶子引力形状因子)，胶子将质子结合在一起。这种测量可作为一种窗口来了解带正电的核粒子的质量结构。

质子质量的半径不同于覆盖其电荷分布的半径，通常用作质子大小的代表。虽然这些值不一定会匹配，但它们之间的差异可以让科学家更多地了解质子是如何组合在一起的。

“这种质量结构的半径小于电荷半径，因此它让我们了解了核子的质量与电荷结构的等级关系。”弗吉尼亚州国家加速器设施、托马斯杰斐逊研究所的高级科学家马克·琼斯说。

由于胶子缺乏电荷和质量，测量必须间接进行，例如从称为介子的夸克和反夸克配对的衰变产物。该实验涉及电子束和光子束穿过液态氢，这导致相互作用产生一种称为 J/ψ 粒子的介子。

通过测量 J/ψ 粒子的沉降物并将结果与理论模型进行比较，科学家们计算出质子内质量和电荷的分布。

更大的电荷半径意味着质子的质量集中，这表明一些胶子可能会延伸到承载质量的夸克之外，可能会限制它们。

破解质子的质量和电荷的结构，要建立在对粒子的基本理解之上。

不过还有很多工作要做。这些发现部分依赖于理论模型，目前尚不清楚质子质量是如何分布的以及与胶子活动的联系。

未来的研究已经在计划中，包括不同的仪器和实验技术，以及更高的精确度。 不久之后，我们可能会确切地知道质子的内部构造。

“但对我来说，现在真的非常令人兴奋。因为我们现在拥有的关于它的信息比以往任何时候都多。”

该研究已发表在Nature上。

https://www.sciencealert.com/a-look-at-the-protons-inner-structure-shows-how-its-mass-isnt-the-same-as-its-size