對于一個宏觀物體來說，它有多重，以及這些質(zhì)量來自哪些部分，絕對算不上是難以回答的問題，這差不多就是一個“1+1+1=3”的問題。但在微觀世界，情況則截然不同。
就拿我們最熟悉的一種粒子——質(zhì)子來舉例。質(zhì)子是一種出現(xiàn)在原子中心帶正電的粒子，它是原子核的基本組成部分，占宇宙可見物質(zhì)的99%以上。但質(zhì)子身上的一個最大謎團就是它的質(zhì)量來源。事實證明，質(zhì)子的測量質(zhì)量不僅來自它的物理構件。
質(zhì)子由三個價夸克構成。在許多示意圖中，我們會把質(zhì)子結構簡單描述為兩個上夸克和一個下夸克的組合。
但是，如果把質(zhì)子中夸克的質(zhì)量相加，會發(fā)現(xiàn)只能得到質(zhì)子質(zhì)量的一部分，而且是很小的一部分。原因之一在于，這種表述過于簡化了。質(zhì)子的內(nèi)部實際上要復雜得多，充滿了夸克和反夸克對，以及傳遞強力的膠子。(強力是自然界中的四種基本力之一，負責將夸克緊緊地束縛在質(zhì)子內(nèi)，詳見《一個很強的常數(shù)》)
在常見的質(zhì)子內(nèi)部結構示意圖中，只包含了三個價夸克，但質(zhì)子內(nèi)部實際上非常復雜。(圖/原理)
在過去的幾十年間，核物理學家已經(jīng)初步拼湊出了質(zhì)子質(zhì)量的幾種來源。首先，夸克的確提供了一些質(zhì)量，還有一部分質(zhì)量來自夸克的運動。其次，強力能量也能提供一部分質(zhì)子質(zhì)量。最后，質(zhì)子中的夸克和膠子的動態(tài)相互作用，也會產(chǎn)生質(zhì)量。
最近在托馬斯·杰斐遜國家加速器設施進行的一項實驗，揭示了強力產(chǎn)生的質(zhì)子質(zhì)量半徑，并準確指出了由這些膠子產(chǎn)生的物質(zhì)的位置。這為揭開質(zhì)子結構和質(zhì)量來源之謎邁出了一大步。論文已于近日發(fā)表在《自然》上。
出乎意料的發(fā)現(xiàn)
這項實驗在杰斐遜實驗室的CEBAF(連續(xù)電子束加速器設施)的實驗大廳C進行，合作項目在2019年初進行了約30天的實驗。這個驚人的結果在某種程度上而言出乎了研究人員的意料，因為實驗最初的目標是尋找CERN(歐洲核子研究中心)的研究人員已經(jīng)報道過的五夸克。
在實驗中，來自CEBAF加速器的10.6 GeV的高能電子被送入一小塊銅中。這些電子被銅塊減速或偏轉(zhuǎn)，導致它們作為光子發(fā)出軔致輻射。然后，這束光子擊中了一個液態(tài)氫目標內(nèi)的質(zhì)子。探測器測量了這些相互作用的殘留物，也就是電子和正電子(電子的反粒子)。
實驗人員對那些在氫的質(zhì)子核中產(chǎn)生J/Ψ粒子的相互作用很感興趣。J/Ψ是一種短壽命的介子，由粲夸克和反粲夸克構成。一旦形成，它就會迅速衰變?yōu)殡娮?正電子對。在無數(shù)次相互作用中，實驗者通過確認一致的電子-正電子對，在這些相互作用的截面測量中發(fā)現(xiàn)了約2000個J/Ψ粒子。
可以這么理解，原本研究人員會通過對電子在質(zhì)子上的彈性散射，獲得質(zhì)子的電荷分布。而在這種情況下，類似地，他們對來自質(zhì)子的J/Ψ進行了“獨家拍照”，得到的就是膠子分布，而不是電荷分布。
團隊隨后能夠?qū)⑦@些截面測量結果插入了描述質(zhì)子的膠子引力形狀因子的理論模型中。所謂的膠子引力形狀因子詳細描述了質(zhì)子的機械特性，比如它的質(zhì)量和壓強。他們將來自廣義部分子分布模型和全息量子色動力學(QCD)模型的結果，與晶格QCD計算進行了比較。
從這些量的不同組合中，研究人員確定了上述由膠子主導的膠子質(zhì)量半徑。這個質(zhì)量結構核位于質(zhì)子的中心位置，它的半徑實際上比電荷半徑要小，而電荷半徑先前經(jīng)常被用作質(zhì)子尺寸的一種代理數(shù)據(jù)。
新研究得出的質(zhì)子內(nèi)部結構和質(zhì)量來源示意圖。質(zhì)量半徑比電荷半徑要小，而標量膠子活動的云則延伸超出了電荷半徑的范圍。(圖/Argonne National Laboratory)
實驗中更令人困惑的發(fā)現(xiàn)之一是，在其中一種理論模型方法中，數(shù)據(jù)暗示了，標量膠子的分布遠遠超出了電磁質(zhì)子半徑。換句話說，還有一層標量膠子活動的云延伸到了移動的夸克之外，并約束了夸克。
新的理解
這些結果都暗示，質(zhì)子內(nèi)部實際上應該存在更復雜的層次結構，超出了我們目前的理解。它可能具有三種半徑，也就是電荷半徑、質(zhì)量半徑和標量半徑，而這三個數(shù)值都不相同。
研究人員認為，想要充分理解這些新的觀測結果，以及它對我們理解約束的影響，還需要更高精度的J/Ψ實驗。他們都相信，這個新結果相當耐人尋味，這將為它所暗示的新物理學帶來更多的啟示。
