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质子有多大？这个问题最近有了新突破

2023-04-07 23:04阅读：

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质子有多大？这个问题最近有了新突破
质子有多大？这个问题最近有了新突破
我们都知道，原子核是由质子和中子组成的。质子，既是我们熟知的构成原子核的粒子之一，也是化学元素的标志。它带有正电荷，与电子相互吸引，形成稳定的原子。
一、质子的质量来源
根据现代物理学的标准模型，质子是一种强子，是由夸克和胶子组成的复合粒子。夸克是一种基本粒子，有六种不同的类型，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。每种夸克都有不同的电荷、质量和自旋等属性。胶子是一种无质量的玻色子，有八种不同的类型，它们通过强相互作用力将夸克捆绑在一起。
质子是由两个上夸克和一个下夸克组成的，每个上夸克带有2/3单位的正电荷，每个下夸克带有-1/3单位的负电荷，所以质子总共带有一个单位的正电荷。
我们都知道，原子
的质量是由原子核的质量加上核外电子的质量所组成的，原子核发生聚变或者裂变，就是因为其减少的质量以能量的形式释放了出去。那么，质子的质量是如何来的呢？
根据测量结果，上夸克和下夸克的静止质量分别为1.67 MeV/c2和2.16 MeV/c2，如果把它们加起来，得到5.49 MeV/c2。但是，这个数字远远小于质子的静止质量938.27 MeV/c2。也就是说，组成质子的三个夸克只占了质子总质量的0.6%。胶子本身没有静止质量。
那么，质子剩下的99.4%的质量来自何处？占据质子核心部分的质量源自胶子和夸克之间运动能量和相互作用能量。虽然胶子本身没有静止质量，但它们具有能量，根据爱因斯坦的著名公式E=mc2，它们具有的动质量就是由胶子携带的能量除以光速平方得到的。
胶子不是孤立存在的，而是在一个复杂而动态的系统中与夸克相互作用，形成了复杂而动态的胶子云。这些胶子云的能量远远超过了夸克的能量，从而占据了质子的绝大部分质量。
质子有多大？这个问题最近有了新突破
二、质子的质量半径有多大
从上述介绍不难看出，想要测量质子的质量半径，不是一件容易的事情，其核心在测量胶子的质量。因为胶子不会孤立存在，也没有静止质量，想把它单独拉出来测量是不可能的。而各种对胶子的直接测量，都会改变其运动的状况，导致测量上的误差。换句话说，质子有多大？答案是取决于观测手段。
这也是科学家在过去对质子电荷的研究较为深入，已经精确测量出了质子的电荷半径，但对其质量结构还了解甚少的原因所在。不过，美国一项新研究显示，反映质子内部质量分布的“质量半径”，明显小于由电荷分布决定的“电荷半径”。
考虑到胶子不能单独存在，被禁闭在强子内部的实际情况，物理学家只能通过间接的方法来推断胶子的质量，例如通过观察强子的性质和反应。其中一种方法是利用光子-质子碰撞来产生一种名为J/ψ介子的亚原子粒子，它由一个粲夸克和一个反粲夸克组成，因此携带有质子中胶子的信息。通过测量J/ψ介子的产生率和动能分布，可以推断出胶子在质子中的分布和贡献。
美国阿尔贡国家实验室等机构研究人员说，他们利用J/ψ介子研究质子内部的胶子，在此基础上根据不同理论模型推算质子内部的质量分布。科学家们发现，在所有情况下，质子的质量半径（约0.52飞米）都比其电荷半径（约0.83飞米）小得多。在某些模型中，确定出来的半径与格点量子色动力学（Lattice QCD）中首次原理预测非常吻合。这意味着我们对于质子内部结构有了更深入、更全面的认识。
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分析显示，质子有一个由胶子主导的“内核”，占有质子的大部分质量。相关论文最近发表在英国《自然》杂志上。该成果有助于深入理解胶子在普通物质引力质量中扮演的突出角色。这一发现不仅揭示了胶子对质子质量的重要作用，也为进一步探索强相互作用和夸克-胶子物质提供了新的视角。
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（转自：pplong的博客）

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