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粒子物理学家首次测得质子内部压强,或为宇宙中最高压强

在一项最新的研究中,科学家利用高能电子在质子内部的散射效应,首次在质子内部的三维空间中进行了测量,并获得了质子内部的压强分布。结果表明,质子中心的压强可高达10的35次方帕斯卡,这是目前宇宙中已知的最高压强。在未来的研究中,科学家或许将能真正测得质子的3D结构图像。这一研究发表于5月16日的《自然》杂志,原标题《质子中的压强分布(The pressure distribution inside the proton)》。

粒子物理学家首次测得质子内部压强,或为宇宙中最高压强

抛开暗物质和暗能量,我们所能看到的宇宙中的大部分物质都是质子、中子与核外电子组成的。目前,粒子物理学家们已经知道,质子和中子都是由3个“夸克”组成,它们之间由强核力(strong nuclear force)结合在一起。

但是,想真正测量到质子内部的结构与物理性质,至今都是极其困难的事情,因为它们实在太小了:质子的直径只有原子的10万分之一左右。现在,在美国“托马斯·杰斐逊国家加速器设施(Thomas Jefferson National Accelerator Facility)”工作的一批科学家利用高能电子作为“解剖刀”,向我们展示出了质子内部的一些物理性质,并首次测得了质子内部空间中的压强分布。

粒子物理学家首次测得质子内部压强,或为宇宙中最高压强

从原子到原子核,再到质子,以及质子内部的结构

研究中,科学家将高能电子发射到质子内部,引发了一种名为“深度虚空康普顿散射(deeply virtual Compton scattering)”的效应,这种效应会激发夸克发出光子,之后测量散射出的电子与光子,科学家就可以分析出质子内部的物理性质了。

“我们发射的电子,由于能量提高导致其波长很短,因而可以看到物体更深入的地方”,论文作者之一的拉季法·埃罗阿德里希(Latifa Elouadrhiri)说道。“这种测量中质子是完整的,我们通过检测激发的光子与散射电子来得出质子的性质。”

科学家们发现,质子的中心有着当前宇宙中已知的最高压强,高达10的35次方帕斯卡——这个数值是中子星内部压强的10倍。这个压力的方向是从质子中心向外,“如果只有中心的这个压力,质子就会爆炸”,埃罗阿德里希说,“在另一个方向上还有一个压力,平衡中心的压力,使质子稳定。”

这些测得的物理性质与现有的一些理论预测相符合,“但这是首次真正观察到这些性质”, 埃罗阿德里希说。

在未来,科学家们将继续深入研究,“对质子进行三维成像、理解质子内部夸克的空间分布以及质子内部的夸克运动”, 埃罗阿德里希说。

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美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施

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