质子到底有多大? 新的半径测量来了
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发布时间：2023-04-14 22:59:19
图 氢原子：由质子和电子组成。图| 寇维
粗略地计算，质子比原子要小十万倍左右。而质子内部的夸克和胶子，比质子还要小几个量级。
物理是一门定量的学科，让科学家们好奇的是：这个核桃的半径是多大？图 美国物理学家罗伯特·霍夫斯塔特 (Robert Hofstadter)，因通过电子弹性散射实验对核子的大小及结构的测量而获得了1961年诺贝尔物理学奖。图源| Physics Today Collection根据粒子物理国际合作组织粒子数据组(Particle Data Group)在2020年公布的数据，质子电荷半径的测量平均值为0.841 ± 0.019 飞米（1飞米= 0.000000000000001米）。然而，质子就像一个神秘的“口袋”。说它神秘，是因为里面的宝藏们——夸克和胶子通过非常奇妙复杂的相互作用呈现出来的整体效果决定了质子的性质。而正是因为这种相互作用的复杂性，使科学家们很难去直接测量质子的质量半径，也使得我们难以完全理解质子的结构和性质。图 引力子和质子的散射物理图像：通过引力子和质子的散射来探测能动张量的形状因子。图| 寇维近期，中美科学家利用光生和电生过程的矢量介子在阈值附近产生的数据，深入了解QCD迹反常机制对质子质量的贡献，这对于研究质子质量半径问题是非常重要的，意味着我们可以从实验数据中去提取质子质量半径值。美国纽约州立大学石溪分校的核物理理论家Dmitri Kharzeev教授通过分析美国JLab GlueX实验数据，得到的质子质量半径为0.55±0.03飞米。中国科学院近代物理研究所的研究团队通过分析德国SAPHIR、日本LEPS和美国JLab GlueX三组实验数据，算出的质子质量半径为0.67±0.03飞米。相关研究于近日以快报（letter)的形式发表在Physical Review D上。与已经精确测量的质子电荷半径相比，上述两项研究提取的质子质量半径明显偏小，这意味着质子的质量分布比电荷分布更加紧密，不同的相互作用力对应的质子半径大小不同。进一步，我们可以通过对引力形状因子作傅里叶变换画出质子内部的质量分布图。也许你在一些物理教科书里看到过质子的电荷分布，但是应该没看到过质子内部的质量分布吧？从上图中，我们可以看出质子的“质量”分布是不均匀的：在中心区有一块像蛋黄一样的分布，其密度最大，然后从里到外密度逐渐降低。这种分布，与质子内部的结构密切相关。未来的实验数据将帮助物理学家们提供更精确的分布图和解释。物理学是描述客观世界最为基本的层次，各种探索性的研究将神奇美妙的物质世界展现在世人面前，告诉我们关于这个世界的基本信息。质子半径是质子的最基本性质之一，是核物理与粒子物理研究中一个非常基本的问题，与研究宇宙演化过程等重大科学问题有着密切的关系。质子质量结构和质量半径的研究，已经取得了一些初步的结果。然而，我们要彻底地理解这些物理问题，还有很漫长的路要走。值得期待的是，质子质量问题，已经被中国和美国电子-离子对撞机列为最主要的科学目标之一。未来的电子离子对撞机将有望帮助科学家揭开质子内部结构、质量以及其他更多的谜团，促进我们人类从最微小、也是最基本的层次去理解宇宙
