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質子長什么樣?

宇宙大爆炸后極短的時間內,物質處于致密而又熾熱的“夸克-膠子等離子體”狀態。通過高能重離子對撞實驗,人們可以在實驗室中制備這種物質狀態,從而定量地研究其性質及演化過程。這也將有助于我們窺探宇宙誕生后最初一秒內的模樣。

約 138 億年前,宇宙起源于一個極為致密、熾熱的奇點,也即人們常說的“宇宙大爆炸”。在宇宙誕生之初的極短時間內,它的密度和溫度都非常高,因此所有的物質都處于電離狀態;我們今天常說的質子和中子在那時都以其組成成分,也即更基本的粒子——夸克和膠子的形式存在,它們組成的致密的“粒子湯”被稱為“夸克-膠子等離子體”(Quark-Gluon-Plasma, QGP)。

當今天體物理學家們可以通過觀測宇宙微波背景輻射帶我們回窺宇宙誕生 38 萬年以后的狀態,而粒子物理學家與核物理學家們則可以通過高能重離子-重離子或質子-重離子對撞實驗重新產生夸克-膠子等離子體,從而帶我們窺探宇宙誕生數微秒后的樣子。在這類實驗中,常用來對撞的重離子包括鉛原子核、金原子核以及銅原子核等,實驗家們將這些粒子加速到接近光速并使其相互碰撞,產生的溫度可以超過 2×1012 ℃,這大約是太陽中心溫度的 10 萬倍。在這種環境下,質子和中子便“熔化”成夸克-膠子等離子體。由于這也是宇宙大爆炸發生約 10 微秒后的狀態,因此,我們還可以從中窺探宇宙早期的性質。

從歐洲核子中心于 2000 年宣稱其下屬的超級質子同步加速器(Super Proton Synchrotron, SPS)制備出夸克-膠子等離子體至今,我們已走過了近 20 年的歷程。在這期間,位于美國紐約布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機(Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC)以及位于歐洲核子中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)開展了進一步的高能對撞實驗,科學家們驚訝地發現這種物質處于近乎完美的液體狀態。而在對撞實驗中產生的這種接近完美液體的夸克-膠子等離子體也會進行類似于宇宙膨脹的過程,并在膨脹過程中迅速冷卻,從而夸克被膠子束縛在一起形成大量粒子,最后被探測器捕獲。實驗家們通過數據分析可以獲得這些粒子的分布,其中便蘊含著對撞的質子以及重離子內部結構的信息。

今年 8 月,來自布魯克海文國家實驗室的 Heikki M?ntysaari 等理論家們在發表于 Phys.Lett. B 的文章【參考文獻 2】中,通過研究質子與重離子的對撞過程加深了我們對質子內部結構以及夸克-膠子等離子體性質的認識。

M?ntysaari 他們發現,為了從理論上正確地解釋這些實驗數據,質子內部結構的漲落(Fluctuation)至關重要:三個夸克在質子中的位置可以不斷變化,它們也不斷地發射出會迅速產生、湮滅的膠子,這些膠子如同云一般圍繞在三個夸克周圍,且膠子的疏密也會不斷變化。在 2016 年,他們已經通過分析深度非彈性散射實驗(Deep Inelastic Scattering, DIS)中的非相干衍射過程(Incoherent Diffraction)研究了質子內部結構的漲落,并發現這種漲落對解釋非相干衍射過程的實驗數據也同樣重要【參考文獻 3、5】。在這類過程中,高能質子與高能電子或正電子對撞而被擊碎,生成的新粒子的分布會強烈依賴于質子內部結構的漲落行為。也正因為這些漲落行為,質子可以具有非常不同的形態。

未來 10 年內,美國正在規劃中的高精度粒子加速器——電子-離子對撞機(Electron-IonCollider, EIC)將進行電子與質子或重核的對撞實驗,并對非相干衍射過程進行觀測。那時,研究人員便可以直接地對質子內部結構的漲落進行研究,從而更好地研究夸克-膠子等離子體的演化性質,也可以進一步加深我們對早期宇宙的認識。此外,對夸克-膠子等離子體的研究也有助于我們對量子色動力學相結構與夸克物質的了解;相對論離子碰撞也是研究強相互作用的重要途徑,也是尋找反物質原子核和奇異強子的理想場所,與粒子物理、致密星體等等研究方向也緊密關聯。

我國的科研人員也積極參與了相對論重離子碰撞及夸克-膠子等離子體等相關領域的研究。在實驗方面,中國高能核物理隊伍已通過國際合作積極參與了歐洲 LHC 以及美國 RHIC 的各項工作并取得了重要成果。例如,2010 年,位于 RHIC 的 STAR 合作組宣布探測到首個反物質超核,其中我國的研究人員作出了杰出貢獻,該項發現也被評為 2010 年度“中國科學十大進展”。在理論方面,我國的科學家也一直活躍在最前沿。比如,由我國科學家提出的夸克-膠子等離子體“整體極化”(Global Polarization)理論也被 RHIC 的 STAR 合作組驗證,并作為封面文章發表在今年 8 月 3 日出版的《自然》雜志上。

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