麻省理工学院的物理学家首次计算了质子内部的压力分布

文章作者:管理一号 | 2019-02-28
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麻省理工学院的物理学家初次核算了质子内部的压力散布。
北京时刻2月28日音讯,一项新研讨发现,质子中心能接受的压力远远高于中子星内部的压力。

中子星是世界中密度最大的天体之一,能接受极大的压力,以至于一茶匙的中子星物质就具有适当于15倍月球的质量。但是,物理学家发现,质子——构成世界中大部分可见物质的根本粒子——内部的压力乃至比中子星更高。

麻省理工学院的物理学家初次核算了质子内部的压力散布,发现质子具有一个高压中心,其密度最大处能发生比中子星内部高得多的压力。这个中心从质子的中心向外揉捏,而中心周围的区域向内揉捏。这两股压力的竞赛具有安稳质子全体结构的效果。

该研讨的成果宣告在2月22日的《物理谈论快报》(Physical Review Letters)上。这是物理学家初次经过考虑夸克和胶子(构成质子的根底亚原子粒子)的相互效果,来核算质子的压力散布。

“压力是质子的一个根本特征,咱们现在对此知之甚少,”研讨榜首作者、麻省理工学院的物理学助理教授菲亚拉·沙纳罕(Phiala Shanahan)说,“现在咱们发现,坐落质子中心的夸克和胶子会发生明显的向外压力,而越接近边际,又存在一个限制性的压力。有了这一成果,咱们就有时机了解质子结构的全貌。”

菲亚拉·沙纳罕与另一位作者、同为麻省理工学院物理学助理教授的威廉·德特莫尔德(William Detmold)共同完结了这项研讨。他们都是麻省理工学院核科学试验室的研讨人员。

了不得的夸克

2018年5月,美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设备的物理学家宣告,他们初次丈量了质子的压力散布,办法是将一束电子射向由氢构成的方针。这些电子会与方针中质子内部的夸克相互效果。接着,物理学家依据电子在方针中散布的方法,断定了整个质子的压力散布。他们的丈量成果显现,质子内部存在一个高压中心,其压力最高点的压强到达10^35帕斯卡,适当于中子星内部压力的10倍。

但是,沙纳罕表明,该研讨对质子压力的描绘是不完整的。“他们发现了适当难以想象的成果,”沙纳罕说,“但这一成果受制于一些重要的假定。由于认知并不全面,因而这些假定是必要的。”具体来说,研讨人员是依据质子内部夸克之间的相互效果来预算压力,但没有考虑到胶子。质子由夸克和胶子构成,它们在质子内部会以动态和动摇的方法继续相互效果。沙纳罕表明,杰斐逊试验室的研讨团队仅仅经过勘探器断定了夸克的奉献,但遗漏了质子压力散布的很大一部分。

“在曩昔60年里,咱们现已对夸克在质子结构中的效果有了许多了解,”沙纳罕说,“但了解胶子结构则十分、十分困难,由于众所周知,它十分难以丈量和核算。”

胶子引起的改变

沙纳罕和德特莫尔德并没有运用粒子加速器来丈量质子的压力,而是经过超核算机来核算夸克和胶子之间的相互效果,然后了解胶子在质子压力中扮演的人物。

“在质子内部,存在着一个量子空间,成对的夸克和反夸克在里面翻腾,胶子也是相同,它们不断出现又不断消失,”沙纳罕说,“咱们的核算包含了所有这些动态改变。”

为了做到这点,研讨团队运用了物理学中称为“格点量子色动力学”(lattice QCD)的技能。量子色动力学(quantum chromodynamics,简称QCD)是一个描绘夸克与胶子之间强相互效果的规范动力学理论。在规范模型中,强相互效果是粒子物理学中四种世界间根本效果力中最强的,它将夸克和胶子结合在一起,终究形成了质子。

格点量子色动力学核算运用了一个四维网格,其间的点代表了三维的空间和别的一维的时刻。研讨人员使用格点上界说的量子色动力学方程核算出了质子内部的压力。“这要求十分很多的核算,因而咱们运用了世界上最强壮的超级核算机来完结这些核算,”沙纳罕解释道。

研讨团队花了大约18个月的时刻,经过数台超级核算机运转各种夸克和胶子的参数,然后断定质子内部——从中心到边际——每个点的均匀压力。沙纳罕和德特莫尔德发现,在考虑胶子的奉献之后,质子的压力散布比较杰斐逊试验室的丈量成果有了明显的改变。

沙纳罕说:“咱们初次重视了胶子对质子压力散布的奉献,并且能够清楚地看到,相对于之前的成果,现在的峰值变得更强,压力散布从质子中心向外进一步延伸。”换句话说,虽然质子内部的最高压强仍然是在10^35帕斯卡左右,或许说是中子星的10倍,类似于杰斐逊试验室研讨人员丈量的成果,但环绕中心的低压力区域延伸的规模要比之前估量的更远。

证明这些核算成果将需求更强壮的勘探器,比方呼声很高的电子-离子对撞机(Electron-Ion Collider)。物理学家方案使用这台粒子加速器来勘探质子和中子的内部结构,了解胶子等亚原子粒子的更详细信息。

“咱们正处于定量了解胶子在质子内部怎么效果的前期阶段,”沙纳罕说,“经过将试验丈量的夸克奉献,与咱们新核算的胶子奉献结合起来,咱们初次获得了质子压力散布的全貌。在未来十年内,新的对撞机将能够对这一成果进行验证。”该研讨部分得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支撑。

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