核物理学家可能终于确定了质子中大部分质量所在的位置。最近在能源部托马斯杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验揭示了质子质量的半径，这是由强力将质子的构造块夸克粘合在一起时产生的。结果最近发表在《自然》杂志上。
质子最大的谜团之一是它的质量来源。事实证明，质子的测量质量不仅仅来自它的物理组成部分，也就是它的三个所谓的价夸克。
“如果你把质子中夸克的标准模型质量加起来，你只能得到质子质量的一小部分，”实验联合发言人、能源部阿贡国家实验室的实验物理学家 Sylvester Joosten 解释道。
在过去的几十年里，核物理学家初步拼凑出质子的质量来自几个来源。首先，它从其夸克的质量中获得了一些质量，而从它们的运动中获得了更多的质量。接下来，它从将这些夸克粘合在一起的强力能量中获得质量，这种力表现为“胶子”。最后，它从质子的夸克和胶子的动态相互作用中获得质量。
通过精确定位质子胶子产生的物质的位置，这种新测量可能最终揭示了质子胶子产生的质量。这个物质核心的半径被发现位于质子的中心。结果似乎还表明，这个核心的大小不同于质子的精确测量的电荷半径，这个量通常被用作质子大小的代表。
“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，”Jefferson Lab 的 Halls A&C 实验联合发言人 Mark Jones 说。领导者。
根据实验联合发言人 Zein-Eddine Meziani 的说法，他是能源部阿贡国家实验室的一名科学家，这个结果实际上有点出人意料。
“我们发现的是我们真的没想到会以这种方式出现的东西。这个实验的最初目标是寻找 CERN 研究人员报告的五夸克，”Meziani 说
该实验是在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施的实验厅 C 中进行的，这是能源部科学办公室用户设施。在实验中，来自 CEBAF 加速器的高能 10.6 GeV(十亿电子伏特)电子被送入一小块铜中。电子被块减慢或偏转，导致它们以光子的形式发射轫致辐射。然后，这束光子撞击了液态氢靶内的质子。探测器将这些相互作用的残余物测量为电子和正电子。
实验者对在氢的质子核中产生 J/ 粒子的那些相互作用很感兴趣。J/ 是由魅力/反魅力夸克构成的短命介子。一旦形成，它会迅速衰变为电子/正电子对。
在数十亿次相互作用中，实验人员通过确认重合的电子/正电子对，在这些相互作用的横截面测量中发现了大约 2,000 J/ 粒子。
“这与我们一直以来所做的类似。通过对质子上的电子进行弹性散射，我们得到了质子的电荷分布，”琼斯说。“在这种情况下，我们对质子的 J/ 进行了独家照片制作，我们得到的是胶子分布而不是电荷分布。”
然后，合作者能够将这些横截面测量值插入到描述质子的胶子引力形状因子的理论模型中。胶子形状因子详细描述了质子的机械特性，例如质量和压力。
“我们能够提取两个量，称为引力形状因子，因为我们可以访问这两个模型：广义部分子分布模型和全息量子色动力学 (QCD) 模型。我们将每个模型的结果与晶格 QCD 计算进行了比较，”Meziani 补充道。
从这些量的两种不同组合中，实验人员确定了上述由类引力子胶子主导的胶子质量半径，以及延伸到运动夸克之外并限制它们的更大半径的有吸引力的标量胶子。
“我们实验中一个更令人费解的发现是，在一种理论模型方法中，我们的数据暗示标量胶子分布远远超出了电磁质子半径，”Joosten 说。“为了充分理解这些新观察结果及其对我们理解限制的影响，我们将需要新一代的高精度 J/ 实验。”
进一步探索这个诱人的新结果的一种可能性是电磁大强度装置实验程序，称为 SoLID。SoLID 程序仍处于提案阶段。如果获准继续推进，使用 SolID 设备进行的实验将为 J/ 物理学提供新的见解。
“下一步是使用 SolID 探测器测量 J/ 产量。它将真正能够对该区域进行高精度测量。该计划的主要支柱之一是 J/ 生产，以及横向动量分布测量和违反宇称的深度非弹性散射测量，”琼斯说。
Jones、Joosten 和 Meziani 代表了一项实验合作，其中包括来自 10 个机构的 50 多位核物理学家。发言人还想强调 Burcu Duran，他是诺克斯维尔田纳西大学的主要作者和博士后研究员。杜兰在她的博士论文中介绍了这个实验。作为天普大学研究生的论文，她是数据分析背后的推动力。
该合作在 2019 年 2 月至 3 月进行了大约 30 天的实验。他们一致认为这个新结果很有趣，他们说他们都期待未来的结果，这些结果将进一步揭示它所暗示的新物理学的一瞥.
“对我来说，最重要的是——现在很兴奋。我们能找到一种方法来确认我们所看到的吗?这个新的图片信息会卡吗?” 梅齐亚尼说。“但对我来说，这真的非常令人兴奋。因为如果我现在想到一个质子，我们现在拥有的关于它的信息比以往任何时候都多。”
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