《自然》：实验发现质子中有胶子质量

诸平

The proton mass radius is smaller than the electric charge radius (a dense core), while a cloud of scalar gluon activity extends beyond the charge radius. This finding could shed light on confinement and the mass distribution in the proton. Credit: Argonne National Laboratory

据美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）2023年3月29日提供的消息，实验在质子中发现胶子质量（Experiment finds gluon mass in the proton）。

核物理学家可能最终确定了质子中大部分质量所在的位置。最近在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施（U.S. Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility）进行的一项实验，揭示了质子质量的半径，这是由强大的力产生的，因为它把质子的组成部分夸克粘合在一起。质子质量半径小于电荷半径(致密核)，而标量胶子（scalar gluon）活动云扩展到电荷半径以外。这一发现有助于揭示质子的束缚和质量分布。相关研究结果于2023年3月29日已经在在《自然》（Nature）杂志网站发表——B. Duran, Z.-E. Meziani, S. Joosten, M. K. Jones, S. Prasad, C. Peng, W. Armstrong, H. Atac, E. Chudakov, H. Bhatt, D. Bhetuwal, M. Boer, A. Camsonne, J.-P. Chen, M. M. Dalton, N. Deokar, M. Diefenthaler, J. Dunne, L. El Fassi, E. Fuchey, H. Gao, D. Gaskell, O. Hansen, F. Hauenstein, D. Higinbotham, S. Jia, A. Karki, C. Keppel, P. King, H. S. Ko, X. Li, R. Li, D. Mack, S. Malace, M. McCaughan, R. E. McClellan, R. Michaels, D. Meekins, Michael Paolone, L. Pentchev, E. Pooser, A. Puckett, R. Radloff, M. Rehfuss, P. E. Reimer, S. Riordan, B. Sawatzky, A. Smith, N. Sparveris, H. Szumila-Vance, S. Wood, J. Xie, Z. Ye, C. Yero, Z. Zhao. Determining the gluonic gravitational form factors of the proton. Nature, 2023 Mar; 615(7954): 813-816. DOI: 10.1038/s41586-023-05730-4. Published: 29 March 2023.https://www.nature.com/articles/s41586-023-05730-4

参与此项研究的有来自美国阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory, Lemont, IL, USA）、美国天普大学（Temple University, Philadelphia, PA, USA）、美国托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility, Newport News, VA, USA）、美国密西西比州立大学（Mississippi State University, Mississippi State, MS, USA）、美国弗吉尼亚州立理工大学（Virginia Polytechnic Institute & State University, Blacksburg, VA, USA）、美国康涅狄格大学（University of Connecticut, Storrs, CT, USA）、美国杜克大学（Duke University, Durham, NC, USA）、美国欧道明大学（Old Dominion University, Norfolk, VA, USA）、美国俄亥俄大学（Ohio University, Athens, OH, USA）、美国彭萨科拉州立学院（Pensacola State College, Pensacola, FL, USA）以及法国巴黎-萨克雷大学（Université Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette, France）的研究人员。

质子最大的谜团之一是其质量的来源。事实证明，质子的测量质量不仅仅来自于它的物理组成部分，即它的三个所谓的价夸克（valence quarks）。

美国能源部阿贡国家实验室（DOE's Argonne National Laboratory）的实验物理学家、实验联合发言人西尔威斯特·约斯滕（Sylvester Joosten）解释说：“如果你把质子中夸克的标准模型质量加起来，你只能得到质子质量的一小部分。”

在过去的几十年里，核物理学家初步拼凑出质子的质量来自几个来源。首先，它从夸克的质量中获得一些质量，从夸克的运动中获得更多质量。其次是它从将这些夸克粘合在一起的强力能量（strong force energy）中获得质量，这种力表现为“胶子”（"gluons"）。最后，它从质子的夸克和胶子的动态相互作用中获得质量。

通过精确定位由质子胶子产生的物质的位置，这项新的测量可能最终揭示了由质子胶子产生的质量。这个物质核心的半径被发现位于质子的中心。这一结果似乎也表明，这个核的大小与质子的电荷半径不同，而质子的电荷半径通常被用来代表质子的大小。

“这种质量结构的半径小于电荷半径，因此它在某种程度上让我们了解了核子的质量与电荷结构的等级关系，”实验联合发言人、杰斐逊实验室霍尔斯A&C（Jefferson Lab's Halls A&C）负责人马克·琼斯(Mark Jones)说。

据实验联合发言人、美国能源部阿贡国家实验室（DOE's Argonne National Laboratory）的科学家蔡恩-埃德迪内·麦兹雅尼（Zein-Eddine Meziani）说，这个结果实际上有点令人惊讶。

“我们所发现的是我们真的没有料到会以这种方式出现。这项实验的最初目标是寻找欧洲核子研究中心（CERN）研究人员报告的五夸克（pentaquark），”蔡恩-埃德迪内·麦兹雅尼说。

该实验在杰斐逊实验室连续电子束加速器设施的实验大厅C（Experimental Hall C in Jefferson Lab's Continuous Electron Beam Accelerator Facility简称CEBAF）中进行，该设施是美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）的用户设施。在实验中，来自CEBAF加速器(CEBAF accelerator)的10.6 GeV高能电子被送入一小块铜中。电子被阻挡物减速或偏转，导致它们以光子的形式发出轫致辐射（bremsstrahlung radiation）。这束光子击中了液氢靶内的质子。探测器以电子和正电子的形式测量了这些相互作用的残留物。

实验人员对在氢的质子核之间产生J/Ψ粒子（J/Ψ particles）的相互作用感兴趣。J/Ψ是一个短命的介子（short-lived meson），由粲夸克和反粲夸克（charm/anti-charm quarks）组成。一旦形成，它就会迅速衰变成电子/正电子对（electron/positron pair）。

在数十亿次相互作用中，实验者通过确认电子/正电子对的重合，在相互作用的横截面测量中发现了大约2000个J/Ψ粒子。

马克·琼斯说：“这与我们一直以来所做的事情相似。通过电子在质子上的弹性散射，我们已经得到了质子的电荷分布。在这种情况下，我们从质子中独家拍摄了J/Ψ，我们得到了胶子分布，而不是电荷分布。”

然后，合作者能够将这些横截面测量值插入描述质子的胶子引力形式因素的理论模型（theoretical models）中。胶子形式因子详细描述了质子的力学特性，如质量和压力。

“有两个量，被称为引力形式因子（gravitational form factors），我们能够提取出来，因为我们可以使用这两个模型:即广义部分子分布模型（generalized parton distributions model）和全息量子色动力学(quantum chromodynamics简称QCD)模型（holographic QCD model）。我们将这些模型的结果与晶格QCD计算进行了比较。”蔡恩-埃德迪内·麦兹雅尼补充道。

从这些量的两种不同组合中，实验人员确定了前面提到的由类引力子胶子（graviton-like gluons）主导的胶子质量半径（gluonic mass radius），以及一个更大的吸引标量胶子半径，这些胶子延伸到移动的夸克之外并限制它们。

西尔威斯特·约斯滕说：“我们实验中更令人困惑的发现之一是，在一种理论模型方法中，我们的数据暗示了一个标量胶子分布，远远超出了电磁质子半径（electromagnetic proton radius）。为了充分理解这些新的观察结果及其对我们理解限制的影响，我们将需要新一代高精度J/Ψ实验。”

进一步探索这一诱人的新结果的一种可能性是螺线管大强度装置（Solenoidal Large Intensity Device简称SoLID）实验程序。但是，SoLID项目目前尚处于提案阶段。如果得到批准，用SoLID设备进行的实验将为J/Ψ物理学提供新的见解。

“下一步是用SoLID探测器测量J/Ψ产量。它真的能够在这个区域进行高精度测量。该计划的主要支柱之一是J/Ψ生产，以及横向动量分布测量（transverse momentum distribution measurements）和违反奇偶性的深度非弹性散射测量（parity-violating deep inelastic scattering measurements），”马克·琼斯说。

马克·琼斯、西尔威斯特·约斯滕和蔡恩-埃德迪内·麦兹雅尼代表了一个实验合作，包括来自10个机构的50多名核物理学家。发言人还想重点介绍该研究的第一作者、美国田纳西大学诺克斯维尔分校（University of Tennessee, Knoxville）的博士后研究助理布尔库·杜兰（Burcu Duran）。她在美国天普大学读研究生时，在她的博士论文中介绍了这个实验，她是数据分析背后的驱动力。

该合作于2019年2~3月份进行了大约30天的实验。他们一致认为这个新结果很有趣，他们都期待着未来的结果，这些结果将进一步揭示它所暗示的新物理学。

蔡恩-埃德迪内·麦兹雅尼说：“对我来说，最重要的是现在我很兴奋。我们能找到一种方法来证实我们所看到的吗?这个新的图片信息会持续下去吗?不管怎样，这真的对我来说非常令人兴奋。因为如果我现在考虑一个质子，我们现在有了比以前更多的关于它的信息。”

这项工作得到了美国能源部科学办公室、核物理办公室（US Department of Energy Office of Science, Office of Nuclear Physics）的部分支持（contract numbers DE-AC02-06CH11357 and DE-FG02-94ER40844, and contract number DE-AC05-06OR23177）。

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。

Abstract

The proton is one of the main building blocks of all visible matter in the Universe¹. Among its intrinsic properties are its electric charge, mass and spin². These properties emerge from the complex dynamics of its fundamental constituents—quarks and gluons—described by the theory of quantum chromodynamics^3,4,5. The electric charge and spin of protons, which are shared among the quarks, have been investigated previously using electron scattering². An example is the highly precise measurement of the electric charge radius of the proton⁶. By contrast, little is known about the inner mass density of the proton, which is dominated by the energy carried by gluons. Gluons are hard to access using electron scattering because they do not carry an electromagnetic charge. Here we investigated the gravitational density of gluons using a small colour dipole, through the threshold photoproduction of the J/ψ particle. We determined the gluonic gravitational form factors of the proton^7,8 from our measurement. We used a variety of models^9,10,11 and determined, in all cases, a mass radius that is notably smaller than the electric charge radius. In some, but not all cases, depending on the model, the determined radius agrees well with first-principle predictions from lattice quantum chromodynamics¹². This work paves the way for a deeper understanding of the salient role of gluons in providing gravitational mass to visible matter.