兩千多年來，科學家們認為原子是最小的粒子。然后，他們發現，它有一個由質子和中子組成的原子核，周圍有電子。之后，他們發現質子和中子本身有一個復雜的內部世界，充滿了夸克和反夸克，被膠子產生的超級膠水般的力量固定在一起。
"質子和中子構成了99%以上的可見宇宙，意味著從星系和恒星到我們的一切，"趙勇（音譯）--美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室的物理學家說。"然而，對于質子或中子的豐富的內部生活，我們仍有許多不了解的地方。"
趙與他人合著了一篇關于計算以光速飛行的質子的夸克和膠子結構的創新方法的論文。該團隊創造的名稱是大動量有效理論，簡稱LaMET，它與一種叫做格子量子色動力學（QCD）的理論聯合工作。
質子很小--大約比一個原子小10萬倍，所以物理學家通常將其建模為一個沒有維度的點。但是這些新理論可以預測在光速質子內發生的事情，就像它是一個三維體一樣。
動量的概念不僅對LaMET而且對一般的物理學都是至關重要的。它等于一個物體的速度乘以其質量。
趙解釋說，半個多世紀前，物理學家Murray Gell-Mann和George Zweig的一個簡單的夸克模型揭示了質子在靜止狀態（無動量）下的一些內部結構。根據該模型，科學家們將質子描繪成由三個夸克組成，并預測了它們的基本屬性，如電荷和自旋。
后來用加速到接近光速的質子進行的實驗表明，質子甚至比原來想象的還要復雜。例如，它包含難以計數的相互作用的粒子--不僅僅是被膠子束縛的三個夸克。而且膠子可以短暫地變成夸克-反夸克對，然后再相互摧毀，再次變成一個膠子。像美國能源部費米國家加速器實驗室的粒子加速器產生了這些結果中的大部分。
"趙說："當你加速質子并將其與一個目標碰撞時，就揭示其許多奧秘而言，這就是神奇的事情發生。
在簡單的夸克模型震撼了物理學界大約五年之后，理查德-費曼提出的一個模型描繪了質子以接近光速的速度移動，就像一束攜帶著無限數量的夸克和膠子的光束在同一方向移動。他把這些粒子稱為 "質子"。他的質子模型激發了物理學家定義一組描述三維質子結構的量。然后研究人員可以在粒子加速器的實驗中測量這些量。
早期用當時最好的理論（晶格QCD）進行的計算產生了一些關于質子中夸克和膠子分布的啟發性細節。但它們有一個嚴重的缺陷。他們不能準確地區分快速和慢速移動的質子。
困難在于，格子QCD只能計算不依賴于質子動量的屬性。但是將費曼的質子模型應用于格子QCD需要知道具有無限動量的質子的特性，這意味著質子粒子必須全部以光速運動。部分填補了這一知識空白，LaMET提供了一個計算大而有限動量的格子QCD的粒子物理學的配方。
"在過去的八年里，我們一直在開發和完善LaMET，"趙說。"我們的論文總結了這項工作。"
在超級計算機上運行，用LaMET進行的格子QCD計算正在產生關于光速質子結構的新的和改進的預測。這些預測然后可以在一個稱為電子-離子對撞機（EIC）的新的獨一無二的設施中進行測試。這個設施正在美國能源部的布魯克海文國家實驗室建造。
"趙說："我們的LaMET還可以預測關于特別難以測量的數量的有用信息。"而且有了足夠強大的超級計算機，在某些情況下，我們的預測甚至可以比在EIC測量更精確。
隨著利用理論和EIC測量對物質的三維夸克-膠子結構的深入了解，科學家們準備達到對質子更詳細的描述。屆時，我們將進入一個新的質子物理學時代。
美國能源部科學辦公室的核物理辦公室支持這項研究。它被發表在《現代物理評論》上，文章標題為 "大動量有效理論"。
阿貢國家實驗室尋求解決緊迫的國家科學技術問題。作為美國第一個國家實驗室，阿貢幾乎在所有科學學科中開展前沿的基礎和應用科學研究。阿貢的研究人員與來自數百家公司、大學以及聯邦、州和市政機構的研究人員密切合作，幫助他們解決具體問題，提升美國的科學領導地位，并為國家更美好的未來做好準備。從以上員工60個國家，阿貢由管理UChicago阿貢，LLC在美國能源部的科學辦公室。
