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物理学家首次测出质子内部的压强,是地球大气压的100万亿亿亿倍

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质子

我们该同情一下质子,这些微小的亚原子粒子承受着很大的压力。一项新的研究发现,质子内部比我们测量的任何其他物质都受到更严重的挤压。

该研究的合著者,物理学家Volker Burkert表示,这是他们所见过的最高压力。质子打破了中子星创造的压力记录,中子星是当大质量恒星爆炸,其核心坍缩时,形成的超高密度死星,一颗比太阳质量还大的恒星会被挤压成半径只有十几公里的小球体。

来自托马斯o杰斐逊国家加速器装置实验室的Burkert和其同事表示,质子中心的压力是地球大气压力的100万亿亿亿倍(10^30倍),这大约是中子星核心压力的10倍。此前,科学家们理论上预测,质子内部可能存在这样的压力,但新的结果是首次用实验对质子压力进行判断。

质子和中子

在质子研究中,尽管压力是质子的基本特性之一,但这种粒子的内部压力分布很大程度上是一个未被探索的前沿。康涅狄格大学的物理学家Peter Schweitzer表示,质子内部压力和电荷、质量一样重要,只不过到现在还未了解。

质子是由更小的粒子组成的,包括夸克,它们是质子的电荷来源;还有胶子,它们传递把质子凝聚在一起的强核力。Burkert和其同事报告说,在质子的中心,一种巨大的压力向外推,但是这个破纪录的向外的力被来自于质子外部区域的向内压力制止住了。

杜布纳联合核研究所的物理学家Oleg Teryaev表示,这种压力模式与更大物体的情况相似:在某种意义上,质子看起来像一颗恒星。恒星也有向外推的压力,它们抵消了向内的引力拉力。

中子星和城市大小对比

质子由强相互作用力维系在一起,就像恒星被引力维系在一起一样。但是这些微小的质子又很不同。为了量化质子内部压力,研究人员使用了来自粒子探测器的数据,该探测器为杰斐逊实验室的连续电子束加速装置大接受度谱仪(CLAS)。实验中,科学家在液态氢中发射了电子,因为液态氢是一种丰富的质子来源。随后,科学家观察电子与质子成分相互作用,并反弹出去时发生的情况。新的测量是基于2015年的数据,首次用一种可以得出质子压力的技术进行分析。

然而,这项实验研究的是质子中的夸克,不是胶子,因为能量为60亿电子伏特的电子还不足以完全探测质子。为了做出压力估计,研究人员假定胶子产生的压力和夸克是一样的,这与一些理论预测一致。

未来的粒子加速器,如计划中的电子离子对撞机,将可以测量胶子产生的压力,从而更好地估计质子承受的压溃压力。

该研究发表于5月17日的《自然》(Nature)杂志上。

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