质子和中子的质量来自哪里?一种新设备有望找到答案

                                    质子和中子的质量来自哪里?一种新设备有望找到答案


                                    可观测宇宙估计包含大约10 ^ 53千克的常见物质,其中大部分是大约1080个质子和中子,它们与电子一起是原子成分。但质子和中子的质量如何? 事实证明,答案并不简单。质子和中子由称为夸克的粒子和称为胶子的束缚粒子组成。胶体是无质量的,夸克质量的总和(质子和中子中统称为“核”的核占核总质量的2%左右。那么剩下的是什么? 这不是这些基本原子碎片的唯一奥秘。原子核的旋转同样令人费解 - 其中的夸克旋转无法解释它。科学家现在认为,自旋,质量和其他核性质是由夸克和胶子之间复杂的相互作用产生的。但是如何发生这种情况并不清楚。理论只能告诉科学家这么多,因为夸克和胶子之间的相互作用受称为量子色动力学(QCD)的理论支配,这种理论很难计算。 为了向前发展,我们需要新的实验数据。这就是电子离子冲击器(EIC)的用武之地。与其他原子攻击者不同,例如日内瓦附近的CERN大型强子对撞机或美国相对论重离子对撞机(RHIC),它们与质子和离子等复合粒子碰撞, EIC可以产生质子和中子。与电子碰撞。后者没有内部结构,成为在复合颗粒内部看到的显微镜。 EIC是美国核科学界的首要任务之一,最有可能建在两个美国物理实验室之一 - 长岛布鲁克海文国家实验室或弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯杰斐逊国家加速器设施(杰斐逊实验室)经过批准,对撞机可以在2030年左右开始收集数据。机器将能够看到夸克和胶子的个体旋转和质量以及它们的集体运动的能量如何结合产生质子的自旋和质量。和中子。它还应回答其他问题,例如夸克和胶子是否聚集在一起或在细胞核内扩散,它们移动的速度,以及这些相互作用在细胞核中结合在一起的作用。 EIC测量将提供大量关于物质的基本成分如何相互作用以形成可见宇宙的新信息。在发现夸克五十年后,我们终于揭开了它的神秘面纱。 科学家们很清楚物体是如何由原子组成的,以及这些物体的特征是如何从它们的内部原子特征中产生的。事实上,我们现代生活的大部分依赖于我们对原子,电子学和电磁学的理解 - 这些知识是我们的汽车和智能手机工作的原因。那么为什么我们不了解原子核是如何由夸克和胶子组成的呢?首先,夸克至少比质子小10,000倍,因此没有简单的方法来研究它们。 *此外,核的特征是夸克和胶子的集体行为。事实上,它们是一种紧急情况,是许多复杂参与者的结果,他们的互动过于复杂,我们现在无法完全理解。 控制这些相互作用的理论,量子色动力学,是在20世纪60年代末和70年代初期发展起来的。它是粒子物理整体理论的一部分,称为标准模型,它描述了宇宙的已知力(重力除外)。正如带电粒子之间的电磁力由光子或光粒子携带一样,QCD告诉我们力 - 将核保持在一起的力 - 由胶子携带。强烈的“电荷”称为“颜色”(因此称为“颜色动态”)。夸克携带彩色电荷并通过交换胶子进行相互作用。但与电磁学不同,光子本身没有电荷,胶子带有颜色。因此,胶子通过交换更多的胶子与其他胶子相互作用。这种皱纹具有深远的意义。 QCD也与更熟悉的理论不同,因为夸克越强,力越强。 (在电磁学中,情况正好相反。当带电粒子移动得更远时,力就会减弱。)在核内足够短的距离内,夸克感觉它们的力量很小,好像它们是自由的一样。相同。 QCD的奇怪后果是由物理学家David Gross,H。David Politzer和Frank Wilczek在2004年诺贝尔物理学奖中获得。当夸克彼此远离时,它们之间的力量迅速增长并变得如此强烈以至于夸克最终被“限制”在原子核内部 - 这就是为什么你从未在质子或中子外找到夸克或胶子的原因。只要夸克彼此接近并且彼此弱相互作用,科学家就可以计算QCD相互作用; 要了解有关强大量子场的更多信息,我们需要更多信息。例如,我们对原子域的掌握并非完全来自于我们对原子及其相互作用的理解 - 它源于我们对这些基本成分之上出现的新兴现象的把握。根据我们对其基础知识的理解 - 原子和电磁,不可能构建分子生物学。当研究人员发现DNA的双螺旋时,Eureka一次就来了。我们需要在quarkgluon世界取得进展是核心内容。 在20世纪的第一部分,物理学家发现了如何通过一种叫做X射线衍射的过程“看到”原子。通过照射样品上的X射线束并研究它们穿过材料时产生的干涉图案,科学家们可以看到它的原子晶体结构。该技术的工作原理是X射线的波长类似于原子的大小,这使我们能够检测纳米(10 ^ -9 m)的原子距离尺度。同样地,物理学家在50年前的一个叫做深度非弹性散射或DIS的过程中,首次“看到”了与电子和质子碰撞的实验中的夸克。 在这种方法中,电子反弹并与质子(或中子或原子核)交换虚光子。虚拟光子并不完全正确 - 它们控制着由于量子力学引起的粒子相互作用,因此它们存在并且不存在很快。通过仔细测量电子回弹的能量和角度,我们可以获得有关电子的信息。 DIS实验中虚光子的波长约为飞秒(10 ^ -15 m) - 质子直径的距离刻度。碰撞能量越高,虚光子的波长越小,波长越小,探头的准确性和局部性越高。如果它足够小,电子基本上从质子内部的夸克(而不是整个质子本身)反弹,使其能够窥视粒子的内部结构。 第一个DIS实验是工厂的SLAC-MIT项目,然后是斯坦福直线加速器中心(SLAC)。 1968年,它提供了夸克的第一个证据 - 这一发现赢得了1990年诺贝尔物理学奖的实验领导者。类似的实验发现,自由质子中的夸克和核中的中子和夸克表现得非常不同。此外,他们发现质子和中子自旋不是来自成分夸克的旋转,正如科学家们预期的那样。这一发现最初是在质子中进行的,最初被称为“质子旋转危机”。第一个DIS前锋,其中电子和质子在撞击前加速,是德国电子同步加速器(DESY)的强子 - 电子环加速器(HERA)研究中心位于德国汉堡,从1992年到2007年.HERA实验表明我们相信每个质子和中子内部的三个夸克的简单配置实际上可以变成粒子汤,其中许多夸克和胶子立即出现并消失。 HERA显着提高了我们对核结构的理解,但它没有解决自旋危机,缺乏研究核中夸克和胶子行为所必需的核束。 使这种尺寸的所有观察变得复杂的一个主要因素是量子力学的奇怪性。这些规则将亚原子粒子描述为概率模糊:它们在特定地点和时间不存在于特定状态。相反,我们必须将夸克视为存在于无数个量子配置中。此外,我们必须考虑纠缠的量子力学现象,其中两个粒子可以连接在一起,这样即使它们分离后它们的命运也会被纠缠。纠缠可能是观察核尺度的一个基本问题,因为我们想要观察的夸克和胶子很可能与我们用来观察它们的任何探针纠缠在一起 - 在虚光子DIS的情况下。 幸运的是,到了20世纪70年代,QCD已经足够先进,科学家们可以发现DIS实验中的探针和目标可以分开 - 这种情况称为分解。在足够高的能量下,科学家基本上可以忽略量子纠缠在某些情况下的影响 - 足以在一个维度上描述质子的结构。这意味着他们可以从DIS实验中提取质子中任何给定夸克贡献其前向动量的特定份额的概率的度量。 最近的理论进展使我们能够在多个维度上进一步推进和描述核的内部结构 - 不仅夸克和胶子对其前向动量有多大贡献,而且它们在核内移动了多少。 但真正的进步将伴随着EIC。 EIC将生成核内部的三维图。我们期望对撞机测量夸克和胶子的位置和动量,以及对核的整体质量和旋转的每个贡献。 与之前的DIS实验相比,EIC的一个关键进步是它的亮度:例如,它每分钟比HERA产生100到1,000次碰撞。此外,EIC上的碰撞光束的高能量将解决质子直径百分之几的距离,这使我们能够研究具有0.01%质子前向动量的大量夸克和胶子。 EIC还将允许我们控制在其光束中旋转的粒子的排列,以便我们可以研究质子的旋转是如何从夸克和胶子的QCD相互作用中产生的。当我们结合现代理论框架时,EIC测量将使我们能够从夸克和胶子中创建真正的质子3D图像。 我们想要探索很多问题:例如,质子组分是均匀分布在它们之间,还是它们聚集在一起?有些人对粒子的质量和旋转做出了更多贡献吗?通过结合质子和中子,夸克和胶子在形成核中的作用是什么?这些困境刚刚开始在飞秒级别的现有设施中进行探索。 EIC是第一台引导我们完成答案的机器。 我们的核结构概念中最大的未知因素之一是当我们用非常小规模的非常精细的探针观察这些粒子时会发生什么。这里奇怪的事情开始发生了。 QCD预测,当您在越来越高的能量下进行探测时,您会发现越来越多的胶子。夸克可以辐射胶子,这反过来会辐射更多的胶子并产生连锁反应。奇怪的是,这种胶子辐射不是运动的量度,但量子力学的奇怪性告诉我们,质子的内部是不同的 - 只有更多的胶子 - 你看得越近。 然而,我们知道这不是整个解决方案,因为它意味着材料的生长没有限制 - 换句话说,原子越接近你看到它们的距离,胶子的数量就越多。以前的碰撞器,包括HERA,已经看到了一种“饱和状态”的暗示,其中质子根本不再适用于胶子,有些开始重新组合,抵消了生长。物理学家从未明确地检测到饱和度,我们不知道它出现的阈值。一些计算表明,胶子饱和度形成了一种新的物质状态:“有色玻璃凝结物”,具有非凡的性质。例如,胶子的能量密度可达到中子星能量密度的前所未有的50到100倍。要达到尽可能高的胶子密度区域, 新的对撞机计划得到了美国核科学界最近(2015年)长期规划会议和美国能源部的大力支持,该会议要求对2017年美国国家科学院的EIC进行独立评估。科学,工程和医学(NAS)。在2018年7月,NAS委员会发现EIC科学案例是基本的,引人注目的和及时的。 有两种可能的方法来构建此计算机。一个人将升级Brookhaven的RHIC。这个名为eRHIC的项目将为现有的RHIC加速器隧道增加一个电子束,并在两个不同的点与来自RHIC的离子束发生碰撞。 另一种可能性是在Jefferson Laboratory的连续电子束加速器(CEBAF)上使用电子束。在名为Jefferson Lab EIC(JLEIC)的设计下,CEBAF梁将被引导至隔壁新建的碰撞隧道。 这些设施中的任何一个都将为我们对QCD的理解提供巨大的飞跃,并最终实现细胞核和细胞核内部的可视化。我们应该让我们解决迄今为止困扰我们的旋转,质量和其他核特征问题。并且它能够与许多类型的原子核碰撞,包括重金,铅和铀,这将使我们能够研究当它们的原子核是更大原子核的一部分时夸克和胶子扩散如何变化。例如,我们想知道一些胶子是否开始重叠并被两个不同的质子“共享”。 在21世纪,原子的大小是我们技术的一个限制因素。在没有重大突破的情况下,10纳米(约100个原子宽)的长度可能与电子元件的尺寸一样小,这表明传统的计算能力在未来不会以超过50的速度发展。年份。 然而,核及其内部结构的存在要小一百万倍。控制这个区域的能力大约是为当前电子设备供电的电磁力的100倍 - 事实上,它是宇宙中最强大的力量。是否有可能通过操纵夸克和胶子来创造“飞秒技术”?在某种程度上,这项技术将比现有的纳米技术强大一百万倍。当然,这个梦想是对遥远未来的猜测。但要实现这一目标,我们必须首先了解夸克和胶子的量子世界。 EIC是世界上唯一提供最大限度地理解QCD所需数据的实验设施。然而,建立EIC并非没有挑战。该项目必须在各种能量范围内提供非常明亮且高度聚焦的电子束,质子和其他原子核,以产生比HERA对撞机每分钟多100至1,000倍的事件。旋转研究要求机器提供一束粒子,其旋转最大程度地对齐并且可以被控制和操纵。这些挑战需要创新,这些创新有望改变加速器科学,不仅是为了核物理的利益,也是为了医学,材料科学和基本粒子物理学的未来加速器。

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