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環(huán)狀質(zhì)子提供新的洞察力揭開早期宇宙的神秘面紗

2023-10-15 19:47:34 來源：cnBeta

20 世紀(jì)中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)質(zhì)子具有共振能力，就像鐘的振動一樣。在隨后的三十年里，質(zhì)子的三維圖像不斷進(jìn)步，人們對質(zhì)子在基態(tài)時的結(jié)構(gòu)也有了更深入的了解。然而，人們對共振質(zhì)子三維結(jié)構(gòu)的了解仍然有限。

(資料圖)

最近在美國能源部托馬斯-杰斐遜國家加速器設(shè)施進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)深入研究了質(zhì)子和中子共振的三維結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)研究為宇宙大爆炸后混沌初開的宇宙圖景提供了又一塊拼圖。

研究核子的基本特性和行為為我們了解物質(zhì)的基本組成單元提供了重要線索。核子是構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子。每個核子由三個夸克組成，在強(qiáng)相互作用--自然界中最強(qiáng)的力--的作用下被膠子緊緊地結(jié)合在一起。

核子最穩(wěn)定、能量最低的狀態(tài)稱為基態(tài)。但是，當(dāng)核子被強(qiáng)行激發(fā)到高能狀態(tài)時，它的夸克會相互旋轉(zhuǎn)和振動，表現(xiàn)出所謂的核子共振。

來自德國吉森 Justus Liebig 大學(xué)（JLU）和康涅狄格大學(xué)的一組物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)了 CLAS 合作項(xiàng)目，開展了一項(xiàng)探索這些核子共振的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室世界一流的連續(xù)電子束加速器設(shè)備（CEBAF）上進(jìn)行。CEBAF 是能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，為全球 1800 多名核物理學(xué)家的研究提供支持。研究成果最近發(fā)表在著名的同行評審期刊《物理評論快報》上。

分析小組負(fù)責(zé)人斯特凡-迪爾（Stefan Diehl）說，該小組的工作揭示了核子共振的基本特性。Diehl 是吉森聯(lián)合大學(xué)第二物理研究所的博士后研究員和項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，同時也是康涅狄格大學(xué)的研究教授。這項(xiàng)工作還激發(fā)了對共振質(zhì)子三維結(jié)構(gòu)和激發(fā)過程的新研究。

Diehl說："這是我們第一次進(jìn)行對這種激發(fā)態(tài)的三維特征敏感的測量和觀測。從原理上講，這僅僅是個開始，這種測量正在開辟一個新的研究領(lǐng)域。"

該實(shí)驗(yàn)于2018-2019年在實(shí)驗(yàn)大廳B進(jìn)行，使用的是杰斐遜實(shí)驗(yàn)室的CLAS12探測器。一束高能電子束被送入冷卻氫氣室。電子撞擊目標(biāo)的質(zhì)子，激發(fā)其中的夸克，并結(jié)合夸克-反夸克態(tài)（即所謂的介子）產(chǎn)生核子共振。

這種激發(fā)稍縱即逝，但它們會以新粒子的形式留下存在的證據(jù)，這些新粒子是由受激粒子的能量裂變而成的。這些新粒子的壽命足以讓探測器捕捉到它們，因此研究小組可以重建共振。

Diehl 等人最近在意大利特倫托舉行的"用過渡 GPD 探索共振結(jié)構(gòu)"聯(lián)合研討會上討論了他們的研究成果。這項(xiàng)研究已經(jīng)激勵兩個理論小組發(fā)表了相關(guān)論文。

研究小組還計劃在杰斐遜實(shí)驗(yàn)室利用不同的目標(biāo)和極化進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)。通過極化質(zhì)子的電子散射，他們可以獲得散射過程的不同特征。此外，對類似過程的研究，如結(jié)合高能光子產(chǎn)生共振，也能提供更多重要信息。

Diehl說，通過這些實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家可以弄清宇宙大爆炸后早期宇宙的特性："一開始，早期宇宙只有一些由夸克和膠子組成的等離子體，由于能量太高，這些等離子體都在旋轉(zhuǎn)。然后，在某個時刻，物質(zhì)開始形成，最先形成的是激發(fā)核子態(tài)。當(dāng)宇宙進(jìn)一步膨脹時，它冷卻下來，基態(tài)核子顯現(xiàn)出來。"

"通過這些研究，我們可以了解這些共振的特征。這將告訴我們宇宙中物質(zhì)是如何形成的，以及為什么宇宙以現(xiàn)在的形式存在。"

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