可見(jiàn)物質(zhì)的基石

原子，構(gòu)建了日常生活中的萬(wàn)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(lái)源于希臘文中的“第一（protos）”。質(zhì)子是宇宙中可見(jiàn)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(jiàn)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。

粗略地計(jì)算，質(zhì)子比原子要小十萬(wàn)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(mén)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(kāi)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(lái)越多的謎題也伴隨而來(lái)，比如，質(zhì)子的質(zhì)量起源究竟是怎樣的？?jī)r(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(lái)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(wèn)題是近年來(lái)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(jiǎn)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(wèn)題，那么我們首先需要了解質(zhì)子的質(zhì)量半徑。

就像測(cè)量地球的半徑，從不同的定義出發(fā)，科學(xué)家們可以測(cè)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(cè)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(cè)量的是質(zhì)子的質(zhì)量半徑。

經(jīng)過(guò)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(cè)量。目前的實(shí)驗(yàn)方法可以歸納為兩類：一類是通過(guò)測(cè)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(cè)量質(zhì)子電荷分布對(duì)氫原子能級(jí)分布的影響，再通過(guò)理論計(jì)算反推出質(zhì)子半徑。

根據(jù)粒子物理國(guó)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(cè)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(shuō)它神秘，是因?yàn)槔锩娴膶毑貍儭淇撕湍z子通過(guò)非常奇妙復(fù)雜的相互作用呈現(xiàn)出來(lái)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(cè)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(cè)量

那么，我們可以嘗試用什么方法去測(cè)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(guò)研究引力子和質(zhì)子的散射來(lái)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(cè)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(wú)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(wèn)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(guò)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。

近期，中美科學(xué)家利用光生和電生過(guò)程的矢量介子在閾值附近產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，深入了解QCD跡反常機(jī)制對(duì)質(zhì)子質(zhì)量的貢獻(xiàn)，這對(duì)于研究質(zhì)子質(zhì)量半徑問(wèn)題是非常重要的，意味著我們可以從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中去提取質(zhì)子質(zhì)量半徑值。

美國(guó)紐約州立大學(xué)石溪分校的核物理理論家Dmitri Kharzeev教授通過(guò)分析美國(guó)JLab GlueX實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的質(zhì)子質(zhì)量半徑為0.55±0.03飛米。中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析德國(guó)SAPHIR、日本LEPS和美國(guó)JLab GlueX三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，算出的質(zhì)子質(zhì)量半徑為0.67±0.03飛米。相關(guān)研究于近日以快報(bào)（letter）的形式發(fā)表在Physical Review D上。

與已經(jīng)精確測(cè)量的質(zhì)子電荷半徑相比，上述兩項(xiàng)研究提取的質(zhì)子質(zhì)量半徑明顯偏小，這意味著質(zhì)子的質(zhì)量分布比電荷分布更加緊密，不同的相互作用力對(duì)應(yīng)的質(zhì)子半徑大小不同。進(jìn)一步，我們可以通過(guò)對(duì)引力形狀因子作傅里葉變換畫(huà)出質(zhì)子內(nèi)部的質(zhì)量分布圖。也許你在一些物理教科書(shū)里看到過(guò)質(zhì)子的電荷分布，但是應(yīng)該沒(méi)看到過(guò)質(zhì)子內(nèi)部的質(zhì)量分布吧？

從上圖中，我們可以看出質(zhì)子的“質(zhì)量”分布是不均勻的：在中心區(qū)有一塊像蛋黃一樣的分布，其密度最大，然后從里到外密度逐漸降低。這種分布，與質(zhì)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。未來(lái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將幫助物理學(xué)家們提供更精確的分布圖和解釋。

展望

物理學(xué)是描述客觀世界最為基本的層次，各種探索性的研究將神奇美妙的物質(zhì)世界展現(xiàn)在世人面前，告訴我們關(guān)于這個(gè)世界的基本信息。質(zhì)子半徑是質(zhì)子的最基本性質(zhì)之一，是核物理與粒子物理研究中一個(gè)非?；镜膯?wèn)題，與研究宇宙演化過(guò)程等重大科學(xué)問(wèn)題有著密切的關(guān)系。

質(zhì)子質(zhì)量結(jié)構(gòu)和質(zhì)量半徑的研究，已經(jīng)取得了一些初步的結(jié)果。然而，我們要徹底地理解這些物理問(wèn)題，還有很漫長(zhǎng)的路要走。值得期待的是，質(zhì)子質(zhì)量問(wèn)題，已經(jīng)被中國(guó)和美國(guó)電子-離子對(duì)撞機(jī)列為最主要的科學(xué)目標(biāo)之一。

未來(lái)的電子離子對(duì)撞機(jī)將有望幫助科學(xué)家揭開(kāi)質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量以及其他更多的謎團(tuán)，促進(jìn)我們?nèi)祟悘淖钗⑿?、也是最基本的層次去理解宇宙。致謝：感謝本研究小組成員、許怒研究員和劉芳女士的討論和建議。

參考文獻(xiàn)：

1. X. Ji，https://arxiv.org/abs/2102.078302. D. Kharzeev， https://arxiv.org/abs/2102.001103. Rong Wang， Wei Kou， Ya-Ping Xie， and Xurong Chen， Phys. Rev. D103， L091501

來(lái)源：公眾號(hào)【中科院近代物理所】（ID：CASIMP）

作者：陳旭榮（中科院近代物理所研究員 ）

編輯：jq