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測量 質(zhì)子到底有多大? 新的半徑測量來了

可見物質(zhì)的基石
原子，構(gòu)建了日常生活中的萬物。早在兩千四百多年前，古希臘著名的哲學(xué)家德謨克里特就提出了“原子”的概念，他認(rèn)為自然界的一切物質(zhì)都是由一些堅(jiān)硬不可分的小微粒構(gòu)成的，并將這些小微粒命名為“原子”。
現(xiàn)在我們知道，在每個(gè)原子的核心，是一個(gè)由中子和質(zhì)子構(gòu)成的原子核。質(zhì)子的英文名為proton，來源于希臘文中的“第一（protos）”。質(zhì)子是宇宙中可見物質(zhì)基本的基石。
質(zhì)子和中子的質(zhì)量占整個(gè)宇宙可見物質(zhì)質(zhì)量的99%以上。質(zhì)子與我們所生活的世界息息相關(guān)，可我們對(duì)質(zhì)子又了解多少？
氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)圍繞質(zhì)子轉(zhuǎn)動(dòng)的電子組成，相比于整個(gè)氫原子，質(zhì)子就像一座大廈里的一個(gè)小核桃。
測量 質(zhì)子到底有多大? 新的半徑測量來了
文章插圖
圖 氫原子：由質(zhì)子和電子組成。圖| 寇維
粗略地計(jì)算，質(zhì)子比原子要小十萬倍左右。而質(zhì)子內(nèi)部的夸克和膠子，比質(zhì)子還要小幾個(gè)量級(jí)。
物理是一門定量的學(xué)科，讓科學(xué)家們好奇的是：這個(gè)核桃的半徑是多大？
神秘的“口袋”
人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理解已經(jīng)深入到了核子(質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱）的內(nèi)部：夸克和膠子。現(xiàn)代的物理圖景常將質(zhì)子描述為一個(gè)充滿了夸克、反夸克與膠子的一個(gè)“口袋(bag)”，是自然界中最廣泛存在、并且最為穩(wěn)定的量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）束縛態(tài)。開展對(duì)質(zhì)子的研究，對(duì)理解強(qiáng)相互作用力至關(guān)重要。
但隨著物理學(xué)家們對(duì)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)知的逐漸深入，越來越多的謎題也伴隨而來，比如，質(zhì)子的質(zhì)量起源究竟是怎樣的？價(jià)夸克的質(zhì)量之和大約只占質(zhì)子質(zhì)量的百分之一，質(zhì)子絕大部分的質(zhì)量來自于膠子的自相互作用，但我們對(duì)此缺乏更具體的理解。
因此，從理論和實(shí)驗(yàn)上理解質(zhì)子質(zhì)量問題是近年來高能核物理領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)課題。
人類認(rèn)識(shí)自然，總是從簡單到復(fù)雜，從表面到內(nèi)在結(jié)構(gòu)。如果我們想要更好地理解質(zhì)子的質(zhì)量問題，那么我們首先需要了解質(zhì)子的質(zhì)量半徑。
就像測量地球的半徑，從不同的定義出發(fā)，科學(xué)家們可以測量出地殼半徑、地幔半徑和赤道半徑等等，質(zhì)子的半徑也有不同的定義。如果我們用傳遞電磁力的光子作為探針，探測得到的是質(zhì)子的電荷半徑；如果用傳遞引力的引力子作為探針，那么測量的是質(zhì)子的質(zhì)量半徑。
經(jīng)過物理學(xué)家們幾十年的努力，質(zhì)子的電荷半徑已被精確測量。目前的實(shí)驗(yàn)方法可以歸納為兩類：一類是通過測量輕子與氫原子的彈性散射截面得出質(zhì)子的電荷形狀因子，然后提取出質(zhì)子電荷半徑。另一類方法是精密測量質(zhì)子電荷分布對(duì)氫原子能級(jí)分布的影響，再通過理論計(jì)算反推出質(zhì)子半徑。
測量 質(zhì)子到底有多大? 新的半徑測量來了
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圖 美國物理學(xué)家羅伯特·霍夫斯塔特 (Robert Hofstadter)，因通過電子彈性散射實(shí)驗(yàn)對(duì)核子的大小及結(jié)構(gòu)的測量而獲得了1961年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。圖源| Physics Today Collection
根據(jù)粒子物理國際合作組織粒子數(shù)據(jù)組(Particle Data Group)在2020年公布的數(shù)據(jù)，質(zhì)子電荷半徑的測量平均值為0.841 ± 0.019 飛米（1飛米= 0.000000000000001米）。
然而，質(zhì)子就像一個(gè)神秘的“口袋”。說它神秘，是因?yàn)槔锩娴膶毑貍儭淇撕湍z子通過非常奇妙復(fù)雜的相互作用呈現(xiàn)出來的整體效果決定了質(zhì)子的性質(zhì)。而正是因?yàn)檫@種相互作用的復(fù)雜性，使科學(xué)家們很難去直接測量質(zhì)子的質(zhì)量半徑，也使得我們難以完全理解質(zhì)子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。
新的半徑測量
那么，我們可以嘗試用什么方法去測量質(zhì)子的質(zhì)量半徑呢？
引力子是探索質(zhì)子質(zhì)量結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的重要探針。原則上，我們可以通過研究引力子和質(zhì)子的散射來研究質(zhì)子的質(zhì)量。但實(shí)際上，引力比電磁力弱幾十個(gè)數(shù)量級(jí)，使得引力子和質(zhì)子散射的相互作用非常弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前人類的測量極限。另外，由于強(qiáng)相互作用色禁閉效應(yīng)，科學(xué)家們也無法直接計(jì)算被束縛的夸克膠子和引力子散射。
因此，還需要尋找其它可行的途徑。在提出了很多理論和模型、嘗試了很多方法后，物理學(xué)家們終于找到了一個(gè)可行的方法：把研究引力子和質(zhì)子散射問題轉(zhuǎn)換為求類標(biāo)量引力形狀因子，并最終歸結(jié)為：利用矢量介子近閾產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過擬合手段獲得動(dòng)量轉(zhuǎn)移為零處的斜率，從而獲得質(zhì)子的質(zhì)量半徑。
測量 質(zhì)子到底有多大? 新的半徑測量來了
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圖 引力子和質(zhì)子的散射物理圖像：通過引力子和質(zhì)子的散射來探測能動(dòng)張量的形狀因子。圖| 寇維

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