核物理学家发现了引力对量子尺度的深远影响，首次揭示了质子内部的强作用力分布。这项开创性的研究将历史理论见解与现代实验数据相结合，为质子的内部动力学提供了前所未有的理解，并为核科学的未来发现奠定了基础。
在整个可观测的宇宙中，引力的影响是显而易见的。在行星周围的卫星同步轨道上，在由于大恒星的引力而偏离轨道的彗星上，以及在巨大星系的雄伟螺旋上，都可以观察到它的影响。这些壮观的现象突出了万有引力在最宏大的物质尺度上的作用。与此同时，核物理学家正在揭示引力在物质的最小尺度上的重要贡献。
美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的核物理学家进行了一项新研究，他们使用了一种方法，将引力理论与物质中最小粒子之间的相互作用联系起来，以揭示更小尺度上的新细节。这项研究现在首次揭示了质子内部强作用力分布的快照。这张快照详细描述了这种力可能对构成质子的夸克粒子施加的剪切应力。该研究结果最近发表在《现代物理学评论》上。
质子结构透视
根据该研究的主要作者，杰斐逊实验室首席科学家Volker Burkert的说法，测量结果揭示了质子构建块所经历的环境。质子是由三个夸克组成的，它们被强力束缚在一起。
Burkert解释说:“在峰值时，人们必须对夸克施加超过4吨的力才能将其从质子中拉出来。”“当然，大自然不允许我们把一个夸克从质子中分离出来，因为夸克有一种叫做‘颜色’的特性。有三种颜色混合了质子中的夸克，使它从外部看起来是无色的，这是它在太空中存在的必要条件。试图将有色夸克从质子中拉出来会产生一个无色的夸克/反夸克对，一个介子，使用你试图分离夸克的能量，留下一个无色的质子(或中子)。所以，4吨的重量说明了质子固有的力的强度。”
这个结果仅仅是第二个质子力学特性被测量的结果。质子的机械性能包括其内部压力(2018年测量)、质量分布(物理尺寸)、角动量和剪切应力(如图所示)。这一结果是由半个世纪前的预测和20年前的数据实现的。
在20世纪60年代中期，有理论认为，如果核物理学家能够看到引力如何与亚原子粒子(如质子)相互作用，这样的实验就可以直接揭示质子的力学特性。
“但在那个时候，没有办法。例如，如果你把重力和电磁力比较一下，就会有39个数量级的差别——所以完全没有希望了，对吧?杰斐逊实验室的科学家、该研究的合著者Latifa Elouadhriri解释说。
理论基础与实验突破
这些几十年前的数据来自杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施(CEBAF)进行的实验，CEBAF是美国能源部科学办公室的一个用户设施。一个典型的CEBAF实验需要一个高能电子与另一个粒子相互作用，通过与粒子交换一个能量包和一个称为虚光子的角动量单位。电子的能量决定了它以这种方式与哪些粒子相互作用以及它们如何反应。
在实验中，一个比拉出一个夸克/反夸克对所需的4吨还要大得多的力，是通过高能电子束与液态氢靶中的质子相互作用施加到质子上的。
“我们开发了这个程序来深入研究虚拟康普顿散射。这是电子与质子交换虚光子的过程。在最终状态下，质子保持不变，但会反冲，这样就会产生一个非常高能的光子，再加上散射的电子。”“在我们收集数据的时候，我们并没有意识到，除了我们打算用这些数据进行三维成像之外，我们还收集了获取质子机械特性所需的数据。”
事实证明，这个特殊的过程——深度虚拟康普顿散射(DVCS)——可能与重力与物质的相互作用有关。这种联系的一般版本在1973年由查尔斯·w·米斯纳、基普·s·索恩和约翰·阿奇博尔德·惠勒撰写的关于爱因斯坦广义相对论的教科书《万有引力》中得到了阐述。
他们在论文中写道:“任何无质量的自旋-2场都会产生一种与引力难以区分的力，因为无质量的自旋-2场会以与引力相互作用相同的方式与应力-能量张量耦合。”
三十年后，理论家马克西姆·波利亚科夫(Maxim Polyakov)对这一想法进行了进一步研究，建立了将DVCS过程与引力相互作用联系起来的理论基础。
“这一理论突破建立了深度虚康普顿散射测量与引力形状因子之间的关系。我们第一次能够使用它，并提取我们在2018年《自然》杂志上发表的论文中所做的压力，现在是法向力和剪切力，”Burkert解释说。
关于DVCS过程与引力相互作用之间联系的更详细描述，可以在本文中找到，该文章描述了本研究获得的第一个结果。
未来方向与理论进展
研究人员表示，他们的下一步是从现有的DVCS数据中提取所需的信息，从而首次确定质子的机械尺寸。他们还希望利用更新、更高统计数据和更高能量的实验来继续质子的DVCS研究。
与此同时，该研究的合著者对大量新的理论成果感到惊讶，这些成果在数百种理论出版物中都有详细介绍，这些理论成果已经开始利用这一新发现的途径来探索质子的机械特性。
“而且，现在我们正处于发现的新时代，最近发布了2024年核科学长期计划。随着新设备和新探测器的发展，这将成为科学方向的主要支柱。我们期待看到更多可以做的事情，”伯克特说。
Elouadhriri表示同意。
“在我看来，这只是未来更大事情的开始。它已经改变了我们对质子结构的看法，”她说。
Burkert补充说:“现在，我们可以用力、压力和物理尺寸来表达亚核粒子的结构，而非物理学家也可以与之相关。”
参考文献:“学术讨论会:质子的引力形式因子”，作者:V. D. Burkert, L. elouadriri, F. X. Girod, C. lorc
这项研究由美国能源部、国家科学基金会、Carl G. and Shirley Sontheimer研究基金资助。
