物理学家证实质子结构中存在羁绊

诸平

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据美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）2022年10月19日报道，物理学家证实质子结构中存在羁绊（Physicists confirm hitch in proton structure）。

核物理学家证实，目前对质子结构的描述并非一帆风顺。美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施（U.S. Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility）对质子的电极化率进行了一项新的精确测量，发现质子结构探测器的数据出现了波动。

尽管人们普遍认为早期的测量结果是偶然的，但这次更精确的新测量结果证实了异常现象的存在，并对其起源提出了疑问。相关研究结果于2022年10月19日在《自然》（Nature）杂志网站发表——R. Li, N. Sparveris, H. Atac, M. K. Jones, M. Paolone, Z. Akbar, C. Ayerbe Gayoso, V. Berdnikov, D. Biswas, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. Diefenthaler, B. Duran, D. Dutta, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, N. Heinrich, W. Henry, T. Horn, G. M. Huber, S. Jia, S. Joosten, A. Karki, S. J. D. Kay, V. Kumar, X. Li, W. B. Li, A. H. Liyanage, S. Malace, P. Markowitz, M. McCaughan, Z.-E. Meziani, H. Mkrtchyan, C. Morean, M. Muhoza, A. Narayan, B. Pasquini, M. Rehfuss, B. Sawatzky, G. R. Smith, A. Smith, R. Trotta, C. Yero, X. Zheng, J. Zhou. Measured proton electromagnetic structure deviates from theoretical predictions. Nature, Published: 19 October 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05248-1. http://www.nature.com/articles/s41586-022-05248-1

参与此项研究的有来自美国费城的天普大学（Temple University）、美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）、美国新墨西哥州立大学（New Mexico State University）、美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）、美国威廉玛丽学院（The College of William and Mary, Williamsburg, VA, USA）、美国上帝教大学（Catholic University of America）、美国汉普顿大学（Hampton University）、弗吉尼亚州立理工大学（Virginia Polytechnic Institute & State University）、密西西比州立大学（Mississippi State University）、美国欧道明大学（Old Dominion University, Norfolk, USA）、美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA）、美国杜克大学（Duke University, Durham, NC, USA）、美国佛罗里达国际大学（Florida International University）、美国田纳西大学（University of Tennessee）；加拿大里贾纳大学（University of Regina, Saskatchewan, Canada）、亚美尼亚耶列万阿提姆·阿里哈尼亚国家实验室（Artem Alikhanian National Laboratory, Yerevan, Armenia）、印度维尔·孔瓦尔·辛格大学（Veer Kunwar Singh University, Arrah, India）、意大利帕维亚大学（University of Pavia, Italy）以及意大利帕维亚国家核物理研究所 (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Pavia, Italy)的研究人员。

上述论文的第一作者、美国天普大学的研究生李若楠（Ruonan Li音译）表示，对质子的电极化率（proton's electric polarizability）的测量显示，质子在电场中的变形或拉伸是多么容易。与尺寸或电荷一样，质子的电极化率是质子结构的基本性质。

此外，精确测量质子的电极化率可以帮助解决质子的不同描述问题。根据探测方式的不同，质子可能表现为不透明的单个粒子，也可能表现为由三个夸克在强引力作用下结合在一起的复合粒子。

李若楠解释说：“我们想了解质子的亚结构。我们可以把它想象成一个模型，中间有三个平衡的夸克。现在，把质子放入电场中，夸克本身带正电荷或带负电荷。它们将向相反的方向移动。因此，电极化率反映了质子被电场扭曲的容易程度。”

为了探测这种畸变，核物理学家使用了一种称为虚拟康普顿散射（virtual Compton scattering）的方法。它首先从美国能源部科学办公室的用户设施即杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施(Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility)中精心控制的高能电子束开始，这些电子被发射到与质子相撞的地方。

在虚拟康普顿散射中，电子通过发射高能光子或光粒子与其他粒子相互作用。电子的能量决定了它所发射的光子的能量，这也决定了光子如何与其他粒子相互作用。

能量较低的光子可能会从质子表面反弹，而能量较大的光子会在质子内部爆炸，与其中一个夸克相互作用。理论预测，当这些光子-夸克相互作用从低能到高能时，它们会形成一条平滑的曲线。

天普大学的物理学副教授、该实验的发言人尼科斯·斯帕维里斯（Nikos Sparveris）说，这个简单的图片经不起推敲。相反，测量显示了一个尚未解释的隆起。

他说：“我们看到，极化率的大小有一些局部增强。极化率随能量的增加而降低，如预期的那样。而且，在下跌之前，它似乎会暂时回升。根据我们目前的理论理解，它应该遵循一个非常简单的行为。我们看到了一些与这个简单行为不同的东西。这就是目前困扰我们的事实。”

该理论预测，当夸克结合在一起形成质子时，能量越高的电子会更直接地探测强力。核物理学家们已经证实质子的夸克信号中出现的这种奇怪的硬度峰值表明，强大的力可能有未知的一面在起作用。

“在这一点上，我们显然遗漏了一些东西。质子是自然界中唯一稳定的构建块。因此，如果我们缺少了一些基本的东西，那么它就会对所有的物理学产生影响或后果，”尼科斯·斯帕维里斯证实道。

物理学家们说，下一步是进一步梳理这一异常现象的细节，进行精确探测，以检查其他偏差点，并提供更多关于异常现象来源的信息。

“我们想在不同能量下测量更多的点，以呈现更清晰的图像，并观察是否有任何进一步的结构，”李若楠说。

尼科斯·斯帕维里斯对李若楠的想法表示赞同。他说：“我们还需要精确测量这种增强功能的形状。这种形状对于进一步阐明这一理论很重要。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

How stiff is the proton?

Abstract

The visible world is founded on the proton, the only composite building block of matter that is stable in nature. Consequently, understanding the formation of matter relies on explaining the dynamics and the properties of the proton’s bound state. A fundamental property of the proton involves the response of the system to an external electromagnetic field. It is characterized by the electromagnetic polarizabilities¹ that describe how easily the charge and magnetization distributions inside the system are distorted by the electromagnetic field. Moreover, the generalized polarizabilities² map out the resulting deformation of the densities in a proton subject to an electromagnetic field. They disclose essential information about the underlying system dynamics and provide a key for decoding the proton structure in terms of the theory of the strong interaction that binds its elementary quark and gluon constituents. Of particular interest is a puzzle in the electric generalized polarizability of the proton that remains unresolved for two decades². Here we report measurements of the proton’s electromagnetic generalized polarizabilities at low four-momentum transfer squared. We show evidence of an anomaly to the behaviour of the proton’s electric generalized polarizability that contradicts the predictions of nuclear theory and derive its signature in the spatial distribution of the induced polarization in the proton. The reported measurements suggest the presence of a new, not-yet-understood dynamical mechanism in the proton and present notable challenges to the nuclear theory.