环状质子提供新的洞察力 揭开早期宇宙的神秘面纱

上司池

20 世纪中期，科学家发现质子具有共振能力，就像钟的振动一样。在随后的三十年里，质子的三维图像不断进步，人们对质子在基态时的结构也有了更深入的了解。 然而，人们对共振质子三维结构的了解仍然有限。

最近在美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验深入研究了质子和中子共振的三维结构。这项研究为宇宙大爆炸后混沌初开的宇宙图景提供了又一块拼图。

研究核子的基本特性和行为为我们了解物质的基本组成单元提供了重要线索。核子是构成原子核的质子和中子。每个核子由三个夸克组成，在强相互作用--自然界中最强的力--的作用下被胶子紧紧地结合在一起。

核子最稳定、能量最低的状态称为基态。但是，当核子被强行激发到高能状态时，它的夸克会相互旋转和振动，表现出所谓的核子共振。

来自德国吉森 Justus Liebig 大学（JLU）和康涅狄格大学的一组物理学家领导了 CLAS 合作项目，开展了一项探索这些核子共振的实验。实验在杰斐逊实验室世界一流的连续电子束加速器设备（CEBAF）上进行。CEBAF 是能源部科学办公室的用户设施，为全球 1800 多名核物理学家的研究提供支持。研究成果最近发表在著名的同行评审期刊《物理评论快报》上。

分析小组负责人斯特凡-迪尔（Stefan Diehl）说，该小组的工作揭示了核子共振的基本特性。Diehl 是吉森联合大学第二物理研究所的博士后研究员和项目负责人，同时也是康涅狄格大学的研究教授。这项工作还激发了对共振质子三维结构和激发过程的新研究。

Diehl说："这是我们第一次进行对这种激发态的三维特征敏感的测量和观测。从原理上讲，这仅仅是个开始，这种测量正在开辟一个新的研究领域。"

该实验于2018-2019年在实验大厅B进行，使用的是杰斐逊实验室的CLAS12探测器。一束高能电子束被送入冷却氢气室。电子撞击目标的质子，激发其中的夸克，并结合夸克-反夸克态（即所谓的介子）产生核子共振。

这种激发稍纵即逝，但它们会以新粒子的形式留下存在的证据，这些新粒子是由受激粒子的能量裂变而成的。这些新粒子的寿命足以让探测器捕捉到它们，因此研究小组可以重建共振。

Diehl 等人最近在意大利特伦托举行的"用过渡 GPD 探索共振结构"联合研讨会上讨论了他们的研究成果。这项研究已经激励两个理论小组发表了相关论文。

研究小组还计划在杰斐逊实验室利用不同的目标和极化进行更多的实验。通过极化质子的电子散射，他们可以获得散射过程的不同特征。此外，对类似过程的研究，如结合高能光子产生共振，也能提供更多重要信息。

Diehl说，通过这些实验，物理学家可以弄清宇宙大爆炸后早期宇宙的特性："一开始，早期宇宙只有一些由夸克和胶子组成的等离子体，由于能量太高，这些等离子体都在旋转。然后，在某个时刻，物质开始形成，最先形成的是激发核子态。当宇宙进一步膨胀时，它冷却下来，基态核子显现出来。"

"通过这些研究，我们可以了解这些共振的特征。这将告诉我们宇宙中物质是如何形成的，以及为什么宇宙以现在的形式存在。"