分析夸克與膠子相互作用,確認質子內部壓力比中子星大 10 倍

作者 | 發布日期 2019 年 02 月 23 日 18:15 | 分類 天文 , 尖端科技 follow us in feedly

一顆中子星的直徑只有數十公里,卻包含了 1~2 顆太陽的質量,可知其內部壓力要有多高,才能將如此大量的物質壓縮在小小空間裡。然而麻省理工學院一項新研究發現,質子內部壓力比中子星還要大 10 倍。



在粒子標準模型中,質子由 3 個基本粒子夸克(2 個上夸克 + 1 個下夸克)組成,夸克又經由膠子所傳遞的強交互作用(宇宙 4 種基本力中最強的一種)緊密綑綁在一起。細部觀察之,會發現質子中心的夸克和膠子產生一股力往外猛推、而周圍區域又有其他力往內猛壓,兩者不斷競爭抗衡的結果穩定了質子整體結構。

來自麻省理工學院的物理學家們現在利用夸克與膠子的相互作用,計算出質子內部的壓力分布,發現質子核心壓力高達 10^35 帕(Pa),比中子星的內部壓力大 10 倍。

他們的研究結果和去年來自美國能源部傑斐遜實驗室(托馬斯·傑斐遜國家加速器裝置)團隊的結論相似,後者利用電子束撞擊氫原子目標物,電子與目標質子內部的夸克相互作用,然後研究人員根據電子從目標物散射的方式確定整個質子壓力分布。

但麻省理工學院研究人員表示,上述研究的分析敘述還不夠完整。傑斐遜實驗室團隊只根據夸克的相互作用計算壓力分布,沒有考慮膠子,然而質子由夸克和膠子組成,它們在質子內部以動態波動方式不斷相互作用著,若要計算壓力分布,兩者缺一不可。

麻省理工學院助理教授 Phiala Shanahan 及其團隊採用量子色動力學(Quantum Chromodynamics,QCD)方程,利用超級電腦計算質子內部壓力,花了約 18 個月運行各種配置,才確定了從質子中心到邊緣每個點的平均壓力,並且相對於傑斐遜實驗室的結果,發現質子周圍的低壓區域擴展得更遠。

眾所皆知中子星密度高得嚇人,一茶匙中子星的物質其重量是月球 15 倍。但現在分析證明,構成宇宙中大部分可見物質的粒子質子,壓力更大。新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:麻省理工學院

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