引力的影响在整个可观测的宇宙中都是显而易见的。 它的影响可以在行星周围卫星的同步轨道上观察到，在由于大恒星的引力而偏离其路径的彗星中，以及在巨大星系的雄伟螺旋中观察到。 这些壮观的现象凸显了重力在最宏大的物质尺度上的作用。 与此同时，核物理学家发现重力对最小物质尺度的重大贡献。
美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的核物理学家进行的一项新研究正在使用一种方法将引力理论与最小物质粒子之间的相互作用联系起来，以揭示这种较小尺度上的新细节。 这项研究现在首次揭示了质子内部强力分布的快照。 该快照详细介绍了力可能施加在构成质子的夸克粒子上的剪切应力。 研究结果最近发表在《现代物理学杂志》上。
根据该研究的主要作者，杰斐逊实验室首席科学家Volker Burkert的说法，这些测量揭示了对质子构建块所经历的环境的洞察力。 质子由三个夸克组成，夸克被强大的力结合在一起。
在巅峰时期，它不仅仅是一个四吨重的力，人们必须施加夸克才能将其从质子中拉出，“伯克特解释说。 “当然，自然界不允许我们只将一个夸克与质子分开，因为夸克有一种叫做'颜色'特性。 质子中的夸克有三种颜色混合在一起，使其从外面看起来无色，这是它在太空中存在的要求。 试图将有色夸克从质子中拉出会产生一个无色夸克反夸克对，这是一个介子，它使用你投入的能量来试图分离夸克，留下一个无色的质子（或中子）。 因此，4 吨是质子内在力强度的例证。
Bootstrap 程序结果只是要测量的第二个质子力学特性。 质子的力学特性包括其内部压力（2018 年测量）、质量分布（物理尺寸）、角动量和剪切应力（如图所示）。 半个世纪前**和二十年前的数据使结果成为可能。
在 1960 年代中期，人们认为，如果核物理学家能够看到重力如何与质子等亚原子粒子相互作用，那么这样的实验可以直接揭示质子的机械特性。
但在当时，没有办法。 例如，如果将重力与电磁力进行比较，则存在 39 个数量级的差异——所以这完全没有希望，对吧？ 杰斐逊实验室的科学家、该研究的合著者拉蒂法·埃洛阿德里里（Latifa Elouadhriri）解释说。
几十年前，杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施（CEBAF）进行了一系列实验。 该设备是美国能源部科学办公室的重要用户设施。 一个典型的CEBAF实验就像高能电子与另一个粒子的舞蹈，交换一包能量和一个称为虚拟光子的角动量单位。 电子的能量决定了这种舞蹈的节奏和步伐。 在实验中，高能电子束与液化氢靶中的质子紧密相互作用，施加的力甚至比拉出夸克反夸克对所需的四吨还要大。 “我们开发了这个程序来深入研究虚拟康普顿散射，”Elouadhriri 分享道，“这是电子与质子交换虚拟光子的奇妙时刻。 在最终状态下，质子保持原样，但后坐力巨大。 你产生了一个真正的、非常高能的光子，以及那个散射的电子。 ”
当他们收集数据时，他们不知道，除了打算以3D形式成像外，他们还无意中捕获了访问质子机械性能所需的关键数据。 事实证明，这个特殊的过程——深度虚拟康普顿散射（DVCS）——可能与重力与物质的相互作用密切相关。 1973年，查尔斯·米斯纳（Charles W. Misner）米斯纳）、基普 S索恩和约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）在他们的经典著作《Gritation》中详细阐述了这一概念的一般版本。 他们在书中写道：“任何无质量的自旋-2场都会产生一种与重力无法区分的力，因为无质量的自旋-2场以与重力相互作用的方式与应力-能量张量耦合。三十年后，理论家马克西姆·波利亚科夫（Maxim Polyakov）进一步发展了这一想法，为连接DVCS过程和引力相互作用建立了理论基础。 这一理论突破确立了深度虚拟康普顿散射测量与引力外形因子之间的关系。 我们第一次能够使用它并提取我们在 2018 年所做的压力，发表在《自然》杂志上，现在是正常的和剪切的，“伯克特解释说。 有关DVCS过程与引力相互作用之间联系的更详细描述，请参阅本文。 本文深入探讨了这项研究获得的初步结果，为探索宇宙奥秘增添了又一宝贵贡献。 研究人员表示，他们的下一步是努力从现有的DVCS数据中提取他们需要的信息，以首次确定质子的机械尺寸。 他们还希望利用更新、更具统计学性和更高能量的实验，这些实验正在继续质子的DVCS研究。
与此同时，该研究的合著者对数百种理论出版物中详细介绍的大量新理论努力感到惊讶，这些努力已经开始使用这种新发现的途径来探索质子的机械特性。
而且，现在我们正处于这个新的发现时代，最近发布了 2023 年核科学长期计划。 这将是科学方向的主要支柱，包括开发新设施和新探测器。 我们期待看到更多可以做的事情，“伯克特说。
Elouadhriri 对此表示赞同。
在我看来，这只是未来更大事情的开始。 它改变了我们对质子结构的看法，“她说。
现在，我们可以用力、压力和物理尺寸来表达亚核粒子的结构，这是物理学家无法理解的，“伯克特补充道。
参考： v d. burkert、l. elouadrhiri、f. x. girod、c. lorcé、p.Schweitzer 和 P e.“研讨会：质子的引力形式因素”，沙纳汉，2023 年 12 月 22 日，《现代物理评论》。
doi： 10.1103/revmodphys.95.041002
该研究由美国能源部、美国国家科学院Carl G进行以及 Shirley Sontheimer Research** 资助。