宇宙中的质子究竟长啥样？

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宇宙中的质子究竟长啥样？

2017 年 11 月 29 日 中国物理学会期刊网 芝麻

本文来源：科学大院（ID：kexuedayuan）

作者：芝麻（俄亥俄州立大学）

我们头顶的宇宙，广袤而无垠，神秘而深邃。其中，除了暗物质之外，大部分物质都由电子及原子核构成。每个原子核又至少含有一个质子，质子中包含更为基本的粒子——夸克。它们被胶子传递的强相互作用牢牢粘在一起，从而形成十分稳定的质子。

那么，由夸克和胶子构成的质子究竟长什么样，我们又应该如何来观测它的“样貌” 呢？

质子结构的艺术想象图（图片来源：www.bnl.gov）

翻译（自上而下）：质子下夸克上夸克胶子上夸克

如何观测微观世界

在生物学实验中，我们可以通过光学显微镜来观测细胞的样貌，但是，当物体的尺寸相对于光的波长较小时，光的衍射效应会使物体的像变得十分模糊，从而无法再对物体作出清晰地观测。

为了提高分辨精度，我们可以使用波长更短、能量更高的电磁波（如X射线）来观测，甚至可以用高能电子代替电磁波，制成所谓的电子显微镜，利用它，我们可以观测分子尺度的蛋白质与DNA。

当我们试图观测尺寸极小的原子的结构时，我们可以使用能量更高的粒子来轰击原子，通过观测散射粒子的分布对原子结构从理论上进行推测。

利用这种方法，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）等人在1909年通过α粒子轰击金箔从而推断出原子的基本结构，并通过计算，得到原子核的尺寸应该小于10^-14米，这远小于金原子的尺寸10^-10米。

然而，后来人们由氢原子兰姆位移实验发现，作为原子核组成成分的质子尺寸更小，只有不到10^-15米。如果把我们的拳头放大到地球大小，原子也不过是与玻璃弹珠相仿，观测尺寸比原子还小5个数量级的质子的内部结构，难度可想而知。

从物质世界到夸克

翻译（自上而下）：物质原子核夸克质子

探秘质子结构

当今，人们探测质子结构的主要方法是深度非弹性散射实验（Deep Inelastic Scattering，DIS）。

例如，位于德国的强子-电子环形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator， HERA）便是利用高能电子辐射出的虚光子轰击质子并与其中的夸克相互作用，最后散射出粒子的分布依赖于质子中胶子和夸克的空间分布等性质，科学家从而可以根据散射粒子的分布，推测质子的内部结构。

深度非弹性散射示意（图片来源：http://cerncourier.com/cws/article/cern/62505）

翻译：Electron 电子 q 夸克 P 质子

科学家们发现，当用来轰击质子的电子能量不同时，质子展现出的结构并不相同。

在低能下，质子内部主要显示出三个价夸克，包含两个上夸克以及一个下夸克。

在高能或者说更短的时间尺度下，夸克可以释放出胶子，然后胶子又很快地被其他夸克吸收。在被吸收之前，胶子也可以分裂出胶子或一对正反夸克，然后它们会迅速再融合为一个胶子，继而被吸收，如此等等。

质子中的这些胶子不断地迅速产生、湮灭，如同在夏日夜空中不断飞舞闪烁的萤火虫。利用散射实验对质子的结构进行观测，就如同用相机对飞舞的萤火虫拍照一般，每次观测都会得到不同的质子结构，也就是说质子的结构是不断涨落的（fluctuating），探索这种胶子的涨落行为成为研究质子结构的重要课题之一。

然而，很多散射实验过程对胶子的涨落并不敏感，而只依赖于胶子在较长时间尺度的平均行为。但是，有一类特殊的衍射类深度非弹性散射过程（Diffractive DIS）则直接依赖于胶子的涨落，从而可以作为研究质子内部胶子涨落的重要过程。

来自美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的 Heikki Mäntysaari 与 Björn Schenke 发表于《物理评论快报》的工作，通过分析该类散射实验中的非相干衍射过程（Incoherent Diffraction）研究了质子内部胶子的涨落。

非相干衍射过程

我们知道，参与强相互作用的夸克以及胶子携带着类似于电荷的另一种荷——色荷。

在深度非弹性散射过程中，如果产生的粒子或者粒子系统与被轰击的靶粒子之间整体上交换色荷，那么它们将带上相反的色荷。类似于两个带相反电荷的粒子之间会产生电磁场，产生的粒子系统与靶粒子之间也会有胶子场产生。

但由于胶子本身也携带色荷，所以，胶子场并不会像异性电荷之间的电磁场那样弥漫到整个空间，而是由于胶子间的相互吸引而保持管状，即所谓的色流管（color flux tube）或色弦（color string）。

当色流管被拉到足够长，从而储存足够多的能量时，就可以不断地产生夸克-反夸克对或者双夸克-反双夸克对，最后整个色流管会断裂成许多具有不同速度（快度）的新粒子。

色流管示意图

在前面提到的衍射类散射过程中，产生的粒子或者粒子系统与靶粒子之间不交换色荷，那么二者之间便不会产生色流管。最后产生的粒子中，不会有色流管断裂生成的具有不同速度的新粒子，从而在最后的粒子速度分布谱中会有一段空隙，实验学家可以通过这个特点，从深度非弹性散射实验中筛选出衍射类散射过程。

在衍射类散射过程中，根据靶粒子是否可以保持完整进一步分为相干衍射和非相干衍射。以靶粒子为质子的散射过程为例，相干衍射过程中的质子在散射前后保持完整，整个过程依赖于质子内部结构的平均行为。

反之，非相干衍射过程中的质子会被击碎，而这种过程也强烈依赖于质子内部结构的涨落行为，从而可以用来研究质子内部胶子分布的涨落性质。

从质子结构到宇宙开端

Heikki 与 Schenke 在前人的理论基础上发现，为了正确地解释衍射类散射过程的实验数据，质子内部结构的涨落至关重要：

三个夸克在质子中的位置可以不断变化，并且它们不断地发射出涨落的胶子，这些胶子如同云一样，形成胶子云围绕在三个夸克周围，而胶子云的疏密分布也会变化。也正因为这些涨落行为，质子可以具有非常不同的形态。

质子结构的“快照”（图片来源：Phys. Rev. Lett. 117 052301 (2016)）

我们知道，现在科学家们普遍认为，宇宙起源于一次大爆炸。

欧洲的大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）与美国的相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）将重离子加速到接近光速然后进行对撞。

研究人员认为，在对撞后的极短时间内可以产生与宇宙大爆炸后约10微秒时的状态非常类似的物质，能够用来研究宇宙最初阶段的性质。对这种过程的研究从根本上也需要知道质子内部结构的涨落行为。

如今，美国正在规划新的高精度粒子加速器——电子-离子对撞机（Electron-Ion Collider, EIC），计划在10年后开展电子与质子或重核的对撞实验，并将对非相干衍射过程进行观测，从而直接地对胶子涨落进行研究。这将有助于我们更好地理解重离子对撞过程以及早期宇宙的性质。

RHIC上的PHENIX检测器，RHIC能够测量夸克和胶子是如何构成质子整体自旋的（图片来源：Brookhaven National Laboratory）

参考文献：

1） Evidence of Strong Proton Shape Fluctuations from Incoherent Diffraction, Heikki Mäntysaari and Björn Schenke, Phys. Rev. Lett. 117 052301 (2016).

2） Of Gluons and Fireflies, Tobias Toll, 10.1103/Physics.9.82.

3） Revealing proton shape fluctuations with incoherent diffraction at high energy, Heikki Mäntysaari and Björn Schenke, Phys. Rev. D 94 034042 (2016).

4）Imprints of fluctuating proton shapes on flow in proton-lead collisions at the LHC, Heikki Mäntysaari, Björn Schenke, Chun Shen and Prithwish Tribedy, Phys.Lett. B772 (2017) 681-686.

（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）

科学大院 ID：kexuedayuan