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質(zhì)子內(nèi)部可能是宇宙中最極端的環(huán)境

天文物理

群星璀璨、萬物有理

質(zhì)子內(nèi)部的環(huán)境是什么?即使是最有科學(xué)頭腦的人也不可能考慮到這樣的前景。一組物理學(xué)家最近測(cè)量了可以在那里找到的壓力,結(jié)果令人震驚。據(jù)《新科學(xué)家》報(bào)道,粒子的中心承受了馬里亞納海溝底部壓力的十億億倍,弗吉尼亞州托馬斯杰佛遜國(guó)家加速器基金會(huì)的研究人員做出了這一發(fā)現(xiàn)。研究合著者物理學(xué)家Volker Burkert說:這真的是我們所見過的最高壓力,研究成果發(fā)表在《自然》期刊上。

你可能記得質(zhì)子是帶正電荷的,也是量子世界中的基本粒子之一。它們可以在原子核中找到,它們本身由較小的粒子組成,包括夸克和膠子??淇藥щ姴⑶曳浅H壕?。然而它們從來沒有被發(fā)現(xiàn)自己脫離,因?yàn)槟z子應(yīng)用了使它們保持在一起的力。質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子之一,它有助于保持宇宙的穩(wěn)定,并為其所有(包括我們)提供足夠好的地方。

量子力學(xué)中最大的問題之一是:質(zhì)子如此穩(wěn)定的原因是什么?事實(shí)證明,這是兩個(gè)激烈力之間的平衡。質(zhì)子內(nèi)部面向外的壓力約為10 ^ 35帕斯卡(Pa),比中子星內(nèi)力的強(qiáng)10倍。中子星是城市大小的天體,質(zhì)量是太陽的1.4倍。,曾經(jīng)是巨大的恒星,以超新星結(jié)束,然后坍縮成一個(gè)小而致密的核心。這是宇宙中最密集的天體之一,而質(zhì)子內(nèi)的力甚至比它強(qiáng)大!此前,科學(xué)家猜測(cè)質(zhì)子可能包含巨大的壓力。然而,這是第一次被證明。

中子星演變成超新星的概念圖。圖片:NASA/ESA/JHU/R.Sankrit & W.Blair, Wikipedia Commons.

那么他們是如何測(cè)量這么小的內(nèi)部壓力呢?這一切都始于Burket和他在CLAS工作的同事:杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施大型驗(yàn)收光譜儀。這發(fā)出了一能量束(60億電子伏特),他們將光束射入充滿質(zhì)子的液氮中。然后檢測(cè)亞原子水平情況。當(dāng)物理學(xué)家將電子束瞄準(zhǔn)并直接射入質(zhì)子時(shí),光束就像一個(gè)光子一樣從一個(gè)夸克中反射出來,并在那里被吸收。結(jié)果夸克釋放了一個(gè)隨后的光子。

研究人員測(cè)量了原始電子,它吸收的光子以及釋放的光子。通過評(píng)估每個(gè)粒子的碰撞和動(dòng)量,他們能夠理解質(zhì)子內(nèi)部的一切。從那里可以制作一個(gè)包含在其核心內(nèi)的夸克3D圖。但那并不能告訴我們那里有什么樣的力。要做到這一點(diǎn),要做到這一點(diǎn),物理學(xué)家們必須找到引力子:即賦予物體引力的粒子。然而,沒有被發(fā)現(xiàn)。

由于“缺乏”引力子,研究人員研究了實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的兩個(gè)光子。根據(jù)Burket,這些光子一個(gè)最初吸收,另一個(gè)在碰撞后發(fā)射,等于一個(gè)引力子。人們會(huì)認(rèn)為可以測(cè)量膠子的力。但即使是CLAS也無法做到這一點(diǎn)。需要更多的能量。因此質(zhì)子目前無法完全檢查。這是2015年的一次實(shí)驗(yàn),但新的評(píng)估技術(shù)使物理學(xué)家能夠更全面地審查數(shù)據(jù),并梳理出質(zhì)子內(nèi)部壓力的近似估計(jì)。

我們似乎忘記了這些力也一直在我們體內(nèi)。圖片:Finches & quarks, Wikipedia Commons.

物理學(xué)家還發(fā)現(xiàn)質(zhì)子外部的力很可能是由膠子引起,以抵消從質(zhì)子內(nèi)部向外推動(dòng)的力,使粒子保持穩(wěn)定。如果內(nèi)在力讓位,質(zhì)子會(huì)爆炸??茖W(xué)家說:一種粒子加速器電子(對(duì)撞機(jī)正在開發(fā)中)應(yīng)該能讓我們更好地了解膠子是如何將質(zhì)子凝聚在一起。

博科園-科學(xué)科普|文:PHILIP PERRY/big hink

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