谜一般的质子内部： 不同的质量和尺寸测量的故事

质子质量半径小于电荷半径（密集的核心），而标量胶子活动云则延伸到电荷半径之外。这一发现可以阐明禁锢和质子的质量分布。资料来源：阿贡国家实验室

质子的最大谜团之一是其质量的来源。事实证明，质子的测量质量并不仅仅来自于它的物理构件，即它的三个所谓的价夸克。

"如果你把质子中夸克的标准模型质量加起来，你只能得到质子质量的一小部分，"实验共同发言人、美国能源部阿贡国家实验室的实验物理学家西尔维斯特-约斯特解释说。

在过去的几十年里，核物理学家已经初步拼凑出质子的质量来自几个来源。首先，它从夸克的质量中获得一些质量，还有一些来自它们的运动。其次，它从将这些夸克粘在一起的强力能量中获得质量，这种力表现为"胶子"。最后，它从质子的夸克和胶子的动态相互作用中获得质量。

这项新的测量工作可能最终揭示了由质子的胶子产生的质量的一些情况，它准确地指出了由这些胶子产生的物质的位置。这个物质核心的半径被发现位于质子的中心位置。这个结果似乎还表明，这个核心的大小与质子的良好测量的电荷半径不同，这个数量经常被用作质子大小的代理。

"这个质量结构的半径小于电荷半径，因此它给我们一种核子的质量与电荷结构的层次感，"实验共同发言人、杰斐逊实验室霍尔斯A&C负责人马克-琼斯说。

根据实验的共同发言人Zein-Eddine Meziani，美国能源部阿贡国家实验室的工作人员科学家，这个结果实际上是有点令人惊讶的。

"我们所发现的东西是我们真的没有想到会以这种方式出现的。这个实验的最初目标是寻找欧洲核子研究中心的研究人员已经报道过的五夸克，"Meziani说。

该实验在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施的实验大厅C进行，该设施是美国能源部科学办公室的一个用户设施。在实验中，来自CEBAF加速器的高能10.6GeV（十亿电子伏特）电子被送入一小块铜中。这些电子被铜块减速或偏转，导致它们作为光子发射轫致辐射。然后这束光子击中了一个液态氢目标内的质子。探测器测量了这些相互作用的残留物，即电子和正电子。

实验人员对那些在氢的质子核中产生J/ Ψ粒子的相互作用感兴趣。J/ Ψ是一种短命的介子，由魅力/反魅力夸克组成。一旦形成，它就迅速衰变为电子/正电子对。在数十亿次的相互作用中，实验者通过确认重合的电子/正电子对，在其对这些相互作用的截面测量中发现了大约2000个J/ Ψ粒子。

"这与我们一直以来所做的事情相似。通过对电子在质子上做弹性散射，我们一直在获得质子的电荷分布，"琼斯说。"在这种情况下，我们对质子上的J/ Ψ做了独家的照片制作，我们得到的是胶子分布而不是电荷分布。"

然后，合作者能够将这些截面测量插入描述质子的胶子引力形式因子的理论模型中。胶子形式因子详细描述了质子的机械特性，如其质量和压力。

"有两个量，被称为引力形式因子，我们能够拉出来，因为我们有机会接触到这两个模型：广义的粒子分布模型和全息量子色动力学（QCD）模型。"Meziani补充说："我们将这些模型的结果与晶格QCD计算进行了比较。"

从这些数量的两种不同组合中，实验者确定了上述由类似引力子的胶子主导的胶子质量半径，以及更大半径的有吸引力的标量胶子，这些标量胶子延伸到移动夸克之外并限制了它们。

"我们实验中更令人困惑的发现之一是，在其中一个理论模型方法中，我们的数据暗示了标量胶子的分布远远超出了电磁质子半径，"Joosten说。"为了充分理解这些新的观察结果及其对我们理解约束的影响，我们将需要新一代的高精度J/ Ψ实验。"

进一步探索这个诱人的新结果的一种可能性是螺线管大强度装置实验计划，称为SoLID。SoLID计划仍处于提案阶段。如果被批准向前推进，用SoLID装置进行的实验将为SoLID探测器的J/ Ψ生产提供新的见解。它将真正能够在这个区域进行高精度的测量。该计划的主要支柱之一是J/ Ψ生产，同时还有横向动量分布测量和违反奇偶性的深度非弹性散射测量。

琼斯、Joosten和Meziani还带领着一个实验合作项目，其中包括来自10个机构的50多名核物理学家参与。发言人还想强调Burcu Duran，他是第一作者，也是田纳西大学诺克斯维尔分校的博士后研究助理。Duran在她作为天普大学研究生的博士论文中介绍了这个实验，她是分析数据的推动者。

该合作项目在2019年2-3月进行了大约30天的实验。他们一致认为，这个新的结果是耐人寻味的，他们说，他们都期待着未来的结果，这将为它所暗示的新物理学的一瞥带来更多的启示。

"对我来说，底线是--现在就有一种兴奋。我们能不能找到一种方法来证实我们所看到的东西？这种新的图片信息是否会坚持下去？"Meziani说。"但对我来说，这真的非常令人兴奋。因为如果我现在想到一个质子，我们现在拥有的关于它的信息比以前任何时候都多。"