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天体物理学家告诉你质子的质量从哪来?
来源:medium | 作者:翻译 克里斯汀娜 | 2020/7/1 6:08:31 | 浏览:56 | 评论:0

质子的质量从何而来?

整体应该等于部分之和,但是质子不是。原因如下。

整体等于部分之和。从星系到行星、到城市、到分子、再到原子,都是如此。如果你把任何一个系统的所有组件全都单独拎出来看一看,就能清楚地看到它们是如何结合在一起并构成整个系统的。这就是总量等于它所有不同的部分加起来的量。

可质子并不遵循这样的规则。

质子由3个夸克组成,但是如果把这3个夸克的质量加起来,你会发现这个数字不但不等于质子的实际质量,而且两者相差甚远。

那为什么质子不遵循“总数等于部分之和”这个规律呢?这就是巴里·达菲要我们解决的问题——

质子内部发生了什么?为什么它的质量超过了组成它的夸克的质量之和呢?

为了找出答案,我们必须要做一些深层次的了解。

天体物理学家告诉你质子的质量从哪来?

图解:人体的组成,事关原子的数量与质量。我们身体的整体,等于身体各个部分的总和,直到小到一个很基础的尺度才不是如此。在这个尺度上,我们就能发现实际上我们比各部分的组成之和大一些。

(ED UTHMAN, M.D., VIA WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN(L); WIKIMEDIA COMMONS USER ZHAOCAROL(R))

从我们自己的身上可以得到一个提示——如果把自身细分得越来越小,你就会发现,在质量这方面,整体等于各部分之和。你身体的骨骼,脂肪,肌肉和器官加起来就是一个完整的人。进一步细分下去,就算到细胞的层次,把各部分质量加起来依然等于你现在的体重。

细胞可以被分为细胞器,细胞器由单个的分子组成,分子又由原子组成,在各自的层次上,这些整体的质量和部分质量的总和没有区别。但是到了原子以下,质子、中子和电子层次的时候,有趣的事情发生了。在那个层次,有一个微小但非常明显的差异:单个质子、中子和电子从整个人体中偏离 1%左右。这种差异是真实的。

天体物理学家告诉你质子的质量从哪来?

图解:从宏观尺度到亚原子,基本粒子的大小在决定复合结构的大小方面起的作用微乎其微。构建基块是否真正具有基本面和/或点状粒子仍不得而知。(图源:MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)

与所有已知的生物一样,人类也是碳基生命形式。碳原子由六个质子和六个中子组成,但如果你测一下碳原子的质量,它大约比组成它的各个成分的总和轻0.8%。罪魁祸首是核约束性能源;当你把原子核结合到一起时,它们的总质量比构成它们的质子和中子的质量之和要小。

碳是由氢聚变成氦,然后再由氦聚变而来;大多数类型恒星在主序星与红巨星阶段都会通过这种过程释放能量。由爱因斯坦的E = mc²可知,这种“质量亏损”是恒星能量的来源。当恒星在燃烧时,它们会制造出更加紧密结合的原子核,以辐射的形式释放出能量。

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图解:在天琴座第二和第三亮的恒星,蓝色巨型恒星谢利亚克和苏拉法特之间,环形星云在夜空中闪耀。在恒星生命的所有阶段,包括巨相,核聚变为恒星提供动力,核与核将更加紧密地结合,通过E = mc²将质量转化为能量的辐射所发射的能量将更加紧密。(图源:NASA, ESA, DIGITIZED SKY SURVEY 2)

大多数类型的结合能的工作原理是这样的:将结合在一起的东西拆开时会遇到困难,原因是因为它们在被连接在一起时释放出了能量,而你必须把这部分能量重新归还给它们,才能将它们拆开。

看一看构成质子的粒子——它们核心的两个上夸克和一个下夸克——它们的组合质量只有质子整体质量的0.2%,结合能就是产生这么一个令人费解的事实的原因。

不过,我们还可以从结合能的本质上来解释这个事实。

夸克结合成质子的方式,与我们所知道的其他力相互作用力有着根本上的区别。一般物体(注:宏观)之间的引力、电磁力会随着距离缩短而变强。但夸克不同,当夸克之间任意接近后,这些吸引力都会变为0。

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图解:质子的内部结构,包括了夸克、胶子和夸克自旋。核力的作用就像弹簧,当未拉伸时,力可以忽略不计。当拉伸时,又会变得很大。(图源:BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

强核力的这种特性被称为渐近自由,而介导这种力的粒子被称为胶子。由于未知得原因,质子质量的99.8%,来自这些胶子。在某种程度上,整体的重量远远超过其各部分的总和。

一开始听起来似乎不可能,因为胶子本身就是无质量颗粒。但是你可以把它们之间产生的力量看作弹簧:当弹簧伸缩量为0时,弹簧不产生弹力,但是形变量越大弹力越大。事实上,两个夸克之间的能量,其距离变得太大,它就像额外的夸克/反夸克对存在于质子:海夸克。

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当两个质子碰撞时,参与碰撞的不仅仅是夸克,还有海夸克、胶子,以及超越这些的场相互作用。所有这些都可以提供对单个组件自旋的见解,并使我们能够在达到足够高的能量和亮度时产生潜在的新粒子。(图源:CERN / CMS COLLABORATION)

你们中那些熟悉量子场理论的人可能渴望把胶子和海夸克视为虚拟粒子:用来得出正确结果的计算工具。但事实并非如此,我们已经在两个质子或质子和另一个粒子之间的高能碰撞中得到了证明,如电子或光子。

欧洲核子研究中心大型强子对撞机进行的碰撞也许是对质子内部结构的最大考验。当两个质子在这些超高能量碰撞时,它们大多数只是相互传递,无法相互作用。但是,当两个内部的点状粒子碰撞,我们可以通过观察碰撞产生的碎片来精确地重建被撞碎的物体。

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图源:大型强子对撞机的紧凑型穆恩电磁阀探测器中看到的希格斯玻色子事件。这次壮观的碰撞比普朗克能量低15个数量级,但正是探测器的精确测量使我们能够重建在碰撞点(和附近)发生的一切。从理论上讲,希格斯给基本粒子带来质量;然而,质子的质量不是由于构成它的夸克和胶子的质量。(图源:CERN / CMS COLLABORATION)

不到10%的碰撞发生在两个夸克之间;绝大多数是胶子-胶子碰撞,夸克-胶子碰撞是剩余部分。此外,质子中的夸克-夸克碰撞并非都发生在上夸克或下夸克之间;有时涉及较重的夸克。

虽然这可能让我们感到不舒服,但这些实验给了我们一个重要的教训:我们用来模拟质子内部结构的粒子是真实的。事实上,希格斯玻色子本身的发现之所以可能,只是因为这个原因,因为希格斯玻色子的生产主要是由大型强子对撞机(LHC)的胶子-胶子碰撞所支配的。如果我们拥有三个要依赖的价夸克,我们会看到希格斯的生产成本比我们不同。

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图解:在希格斯玻色子的质量被知道之前,我们仍然可以计算在LHC的质子-质子碰撞中希格斯玻色子的预期生产速率。顶部通道显然是由胶子-胶子碰撞生产。I(E.Siegel)添加了黄色突出显示区域,以指示希格斯玻色子的发现位置。(图源:CMS COLLABORATION(DORIGO, TOMMASO FOR THE COLLABORATION)ARXIV:0910.3489)

和往常一样,我们还有很多东西需要学习。我们目前有一个质子内典型胶子密度的实体模型,但如果我们想要知道胶子实际上更可能位于何处,这需要更多的实验数据,以及更好的模型来比较数据。理论家比约恩·申克和海基·曼蒂萨里的进展或许能够提供那些需求高的模型。正如梅恩蒂萨里所详述的:

“质子内的平均胶子密度有多大,这是非常准确的。不知道的是胶子在质子内部的确切位置。我们模拟三个[价]夸克周围的胶子。然后,我们通过设置胶子云的较大程度以及它们之间的距离来控制模型中表示的波动量…我们的波动越多,这个过程[产生J/ ψ 介子发生]的可能性就越大。”

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图源:世界第一个电子-电子子对撞机(EIC)的示意图。在布鲁克黑文的相对论重子对撞机(RHIC)中加入电子环(红色)将创建eRHIC:一个拟议的深度无弹性散射实验,可以显著提高我们对质子内部结构的了解。(图解:BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY-CAD ERHIC GROUP)

这一新的理论模型和不断改进的大型强子对撞机(LHC)数据的结合,将能更好地使科学家了解质子、中子和核的内部、基本结构,从而了解已知物体的质量。宇宙来自从实验的角度来看,最大的好处将是下一代电子-电子对撞机,这将使我们能够进行深度无弹性散射实验,以揭示这些粒子的内在组成,这是前所未有的。

但还有另一种理论方法,可以带我们更远进入理解质子质量的来源的领域:格点QCD。

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图解:通过实验改进和新的理论发展,已经更好地理解了质子的内部结构,包括"海"夸克和胶子的分布方式。(图源:BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

量子场理论描述的强力——量子色动力学(QCD)——的难点是,我们做计算的标准方法是不好的。通常,我们会看看粒子耦合的影响:带电夸克交换一个胶子,并调节力。它们可以以一种产生粒子-反粒子对或额外的胶子的方式交换胶子,这应该是对一个简单的单胶交换的修正。它们可以创建额外的对或胶子,这将是高阶校正。

我们称这种方法在量子场理论中具有扰动性扩展,认为计算更高阶的贡献将给我们一个更准确的结果。

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图解:如今,Feynman 图表用于计算跨越强力、弱力和电磁力的每个基本相互作用,包括在高能和低温/浓缩条件下。但是这种方法依赖于扰动扩展,对于强交互来说其效用有限,因为当您为 QCD 添加越来越多的循环时,此方法会分散而不是收敛。.(图源:DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875(2013)738–756)

但是这种方法对量子电动力学(QED)非常有效,但它在QCD中却失败了。强力的工作方式不同,因此这些修正非常迅速。添加更多术语,而不是向正确答案趋同,偏离并带您远离它。幸运的是,有另一种方法来解决这个问题:使用一种叫做格点QCD的技术,不扰动地。

通过将空间和时间视为网格(或点格),而不是连续体,其中晶格任意大,间距任意小,您可以巧妙地克服此问题。在标准、扰动的 QCD 中,空间的连续特性意味着您失去了在小距离上计算交互强度的能力,而晶格方法意味着在晶格间距的大小处存在截止。夸克存在于网格线的交点;沿着连接网格点的链接存在胶子。

随着计算能力的提高,您可以缩小晶格间距,从而提高计算精度。在过去的三十年中,这项技术导致了固体预测的爆炸,包括光核的质量以及特定温度和能量条件下的聚变反应速率。质子的质量,从第一原理,现在可以理论上预测到2%以内。

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图解:随着计算能力和莱迪思QCD技术随着时间推移而提高,质子的各种数量(如其分量自旋贡献)的精度也不断提高。通过减小晶格间距大小(只需提高所使用的计算能力即可完成),我们不仅可以更好地预测质子的质量,还可以预测所有重子和介子的质量。(图源:LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE CLERMONT / ETM COLLABORATION)

确实,单个夸克的质量是由它们与希格斯玻色子耦合决定的,甚至不能占质子质量的1%。相反,由夸克和胶子之间的相互作用所描述的强大的力量实际上对所有这些力量负责。

强大的核力是整个已知宇宙中最强大的相互作用。当你进入像质子这样的粒子时,它非常强大,以至于它——不是质子组成粒子的质量——对宇宙中正常物质的总能量(因此质量)负有主要责任。夸克可能像点一样,但相比而言质子是巨大的:直径为8.4×10-16米。限制其成分粒子,这是强力的结合能量,是导致质子质量的99.8%。

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