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快速了解质子

2021-10-08 09:39     来源:阿贡国家实验室     粒子加速器
科学家们开发了开创性的理论来计算以光速行进的质子内部发生的事情。


质子结构的艺术效果图,揭示了其错综复杂的夸克和胶子的动态系统。(图片由阿贡国家实验室提供。)

两千多年来,科学家们认为原子是最小的粒子。然后,他们发现,它有一个由质子和中子组成的原子核,周围有电子。之后,他们发现质子和中子本身有一个复杂的内部世界,充满了夸克和反夸克,被胶子产生的超级胶水般的力量固定在一起。

"质子和中子构成了99%以上的可见宇宙,意味着从星系和恒星到我们的一切,"赵勇(音译)--美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的物理学家说。"然而,对于质子或中子的丰富的内部生活,我们仍有许多不了解的地方。"

赵与他人合著了一篇关于计算以光速飞行的质子的夸克和胶子结构的创新方法的论文。该团队创造的名称是大动量有效理论,简称LaMET,它与一种叫做格子量子色动力学(QCD)的理论联合工作。

质子很小--大约比一个原子小10万倍,所以物理学家通常将其建模为一个没有维度的点。但是这些新理论可以预测在光速质子内发生的事情,就像它是一个三维体一样。

动量的概念不仅对LaMET而且对一般的物理学都是至关重要的。它等于一个物体的速度乘以其质量。

赵解释说,半个多世纪前,物理学家Murray Gell-Mann和George Zweig的一个简单的夸克模型揭示了质子在静止状态(无动量)下的一些内部结构。根据该模型,科学家们将质子描绘成由三个夸克组成,并预测了它们的基本属性,如电荷和自旋。

后来用加速到接近光速的质子进行的实验表明,质子甚至比原来想象的还要复杂。例如,它包含难以计数的相互作用的粒子--不仅仅是被胶子束缚的三个夸克。而且胶子可以短暂地变成夸克-反夸克对,然后再相互摧毁,再次变成一个胶子。像美国能源部费米国家加速器实验室的粒子加速器产生了这些结果中的大部分。

"赵说:"当你加速质子并将其与一个目标碰撞时,就揭示其许多奥秘而言,这就是神奇的事情发生。

在简单的夸克模型震撼了物理学界大约五年之后,理查德-费曼提出的一个模型描绘了质子以接近光速的速度移动,就像一束携带着无限数量的夸克和胶子的光束在同一方向移动。他把这些粒子称为 "质子"。他的质子模型激发了物理学家定义一组描述三维质子结构的量。然后研究人员可以在粒子加速器的实验中测量这些量。

早期用当时最好的理论(晶格QCD)进行的计算产生了一些关于质子中夸克和胶子分布的启发性细节。但它们有一个严重的缺陷。他们不能准确地区分快速和慢速移动的质子。

困难在于,格子QCD只能计算不依赖于质子动量的属性。但是将费曼的质子模型应用于格子QCD需要知道具有无限动量的质子的特性,这意味着质子粒子必须全部以光速运动。部分填补了这一知识空白,LaMET提供了一个计算大而有限动量的格子QCD的粒子物理学的配方。

"在过去的八年里,我们一直在开发和完善LaMET,"赵说。"我们的论文总结了这项工作。"

在超级计算机上运行,用LaMET进行的格子QCD计算正在产生关于光速质子结构的新的和改进的预测。这些预测然后可以在一个称为电子-离子对撞机(EIC)的新的独一无二的设施中进行测试。这个设施正在美国能源部的布鲁克海文国家实验室建造。

"赵说:"我们的LaMET还可以预测关于特别难以测量的数量的有用信息。"而且有了足够强大的超级计算机,在某些情况下,我们的预测甚至可以比在EIC测量更精确。

随着利用理论和EIC测量对物质的三维夸克-胶子结构的深入了解,科学家们准备达到对质子更详细的描述。届时,我们将进入一个新的质子物理学时代。

美国能源部科学办公室的核物理办公室支持这项研究。它被发表在《现代物理评论》上,文章标题为 "大动量有效理论"。

阿贡国家实验室寻求解决紧迫的国家科学技术问题。作为美国第一个国家实验室,阿贡几乎在所有科学学科中开展前沿的基础和应用科学研究。阿贡的研究人员与来自数百家公司、大学以及联邦、州和市政机构的研究人员密切合作,帮助他们解决具体问题,提升美国的科学领导地位,并为国家更美好的未来做好准备。从以上员工60个国家,阿贡由管理UChicago阿贡,LLC在美国能源部的科学办公室。

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