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環狀質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 世紀中期，科學家發現質子具有共振能力，就像鐘的振動一樣。在隨后的三十年里，質子的三維圖像不斷進步，人們對質子在基態時的結構也有了更深入的了解。然而，人們對共振質子三維結構的了解仍然有限。

(資料圖)

最近在美國能源部托馬斯-杰斐遜國家加速器設施進行的一項實驗深入研究了質子和中子共振的三維結構。這項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的基本組成單元提供了重要線索。核子是構成原子核的質子和中子。每個核子由三個夸克組成，在強相互作用--自然界中最強的力--的作用下被膠子緊緊地結合在一起。

核子最穩定、能量最低的狀態稱為基態。但是，當核子被強行激發到高能狀態時，它的夸克會相互旋轉和振動，表現出所謂的核子共振。

來自德國吉森 Justus Liebig 大學（JLU）和康涅狄格大學的一組物理學家領導了 CLAS 合作項目，開展了一項探索這些核子共振的實驗。實驗在杰斐遜實驗室世界一流的連續電子束加速器設備（CEBAF）上進行。CEBAF 是能源部科學辦公室的用戶設施，為全球 1800 多名核物理學家的研究提供支持。研究成果最近發表在著名的同行評審期刊《物理評論快報》上。

分析小組負責人斯特凡-迪爾（Stefan Diehl）說，該小組的工作揭示了核子共振的基本特性。Diehl 是吉森聯合大學第二物理研究所的博士后研究員和項目負責人，同時也是康涅狄格大學的研究教授。這項工作還激發了對共振質子三維結構和激發過程的新研究。

Diehl說："這是我們第一次進行對這種激發態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域。"

該實驗于2018-2019年在實驗大廳B進行，使用的是杰斐遜實驗室的CLAS12探測器。一束高能電子束被送入冷卻氫氣室。電子撞擊目標的質子，激發其中的夸克，并結合夸克-反夸克態（即所謂的介子）產生核子共振。

這種激發稍縱即逝，但它們會以新粒子的形式留下存在的證據，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 探索共振結構"聯合研討會上討論了他們的研究成果。這項研究已經激勵兩個理論小組發表了相關論文。

研究小組還計劃在杰斐遜實驗室利用不同的目標和極化進行更多的實驗。通過極化質子的電子散射，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，如結合高能光子產生共振，也能提供更多重要信息。

Diehl說，通過這些實驗，物理學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。然后，在某個時刻，物質開始形成，最先形成的是激發核子態。當宇宙進一步膨脹時，它冷卻下來，基態核子顯現出來。"

"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是如何形成的，以及為什么宇宙以現在的形式存在。"

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