在宇宙中，每個原子中的每個質子的內部都是一個類似於高壓鍋的環境，其壓力比起中子星中心能破裂原子的壓力有過之而無不及。這一結論來源於對亞原子粒子的力學性能——質子內部的壓力分佈——的第一次測量，該項實驗由美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器研究所（Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的科學家們進行，他們將這一研究成果發表在5月16日的《自然》雜誌上。他們發現，作為質子的基本構件，夸克在質子中心附近會受到1乘以10的35次方（帕斯卡）的壓力，而這個壓力大約是中子星中心壓力的10倍。
該論文的作者之一、傑佛遜實驗室B廳負責人沃爾克·巴克特（Volker Burkert）解釋道：“我們發現，質子中心有一股非常強烈、方向朝外的壓力，而在質子外圍有一股微弱得多、範圍更大、方向朝內的壓力。”巴克特指出，質子內部的壓力分佈是由一股強大的力量所決定的，而就是這股力量把三個夸克結合在一起形成一個質子。他補充說：“我們的研究提供了一種手段來可視化質子內部強作用力的強度和分佈，其結果闡明瞭質子內部強作用力的分佈情況。這為未來核物理和粒子物理領域中的探索指引了一個全新的方向。
這種測量曾被認為是不可能完成的，它的實現得益於兩個理論框架巧妙結合以及已有數據的輔助。一方面，廣義部分子分佈（generalized parton distribution，GPD）允許研究人員通過電磁力探測質子結構的三維圖像。另一方面，質子的引力形狀因子能讓研究人員在利用引力探測質子時，呈現出質子的機械結構。在進行深虛康普頓散射（DVCS）的實驗過程中，一個電子進入質子後，用一個虛光子替換了一個夸克，從而將能量傳遞給夸克和質子。不久之後，質子排出另一個光子時再釋放出這些能量，並繼續保持完好形態。這一過程類似於引力形狀因子理論的鼻祖——海因茨·佩格爾斯（Heinz Pagels）為力圖通過假設的重子束來探測質子引力而進行的計算。傑斐遜實驗室的研究人員能夠利用眾所周知的電磁學和假想的引力學研究之間的相似性來得出結論。
傑斐遜實驗室的工作人員、論文的合著者弗朗索瓦-澤維爾·吉洛（Francois-Xavier Girod）說：“有一個光子進來了，又有一個光子出去了。這一對光子是‘自旋-1’。而當我們用‘自旋-2’來替換一個引力子粒子時，我們也會得到同樣的信息。所以現在，我們基本上可以（在這一實驗中）進行在電磁實驗過程中的做法，但是對象是代表質子內部機械結構的引力形狀因子。”
研究人員說，下一步計劃是將此技術應用在即將獲得的更為精確的數據上，將會減少當前實驗分析中的不確定性，並開始著手揭示無處不在的質子所具有的其它力學特點與性能，如其內部切力和質子的半徑機械等等。
編譯：朱明逸 審稿：alone 編輯：張夢
來源：https://phys.org/news/2018-05-subatomic-particle-mechanical-property-reveals.html
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