引力的影響在整個可觀測的宇宙中都是顯而易見的。 它的影響可以在行星周圍衛星的同步軌道上觀察到，在由於大恆星的引力而偏離其路徑的彗星中，以及在巨大星系的雄偉螺旋中觀察到。 這些壯觀的現象凸顯了重力在最巨集大的物質尺度上的作用。 與此同時，核物理學家發現重力對最小物質尺度的重大貢獻。
美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的核物理學家進行的一項新研究正在使用一種方法將引力理論與最小物質粒子之間的相互作用聯絡起來，以揭示這種較小尺度上的新細節。 這項研究現在首次揭示了質子內部強力分布的快照。 該快照詳細介紹了力可能施加在構成質子的夸克粒子上的剪下應力。 研究結果最近發表在《現代物理學雜誌》上。
根據該研究的主要作者，傑斐遜實驗室首席科學家Volker Burkert的說法，這些測量揭示了對質子構建塊所經歷的環境的洞察力。 質子由三個夸克組成，夸克被強大的力結合在一起。
在巔峰時期，它不僅僅是乙個四噸重的力，人們必須施加夸克才能將其從質子中拉出，“伯克特解釋說。 “當然，自然界不允許我們只將乙個夸克與質子分開，因為夸克有一種叫做'顏色'特性。 質子中的夸克有三種顏色混合在一起，使其從外面看起來無色，這是它在太空中存在的要求。 試圖將有色夸克從質子中拉出會產生乙個無色夸克反夸克對，這是乙個介子，它使用你投入的能量來試圖分離夸克，留下乙個無色的質子（或中子）。 因此，4 噸是質子內在力強度的例證。
Bootstrap 程式結果只是要測量的第二個質子力學特性。 質子的力學特性包括其內部壓力（2018 年測量）、質量分布（物理尺寸）、角動量和剪下應力（如圖所示）。 半個世紀前**和二十年前的資料使結果成為可能。
在 1960 年代中期，人們認為，如果核物理學家能夠看到重力如何與質子等亞原子粒子相互作用，那麼這樣的實驗可以直接揭示質子的機械特性。
但在當時，沒有辦法。 例如，如果將重力與電磁力進行比較，則存在 39 個數量級的差異——所以這完全沒有希望，對吧？ 傑斐遜實驗室的科學家、該研究的合著者拉蒂法·埃洛阿德里裡（Latifa Elouadhriri）解釋說。
幾十年前，傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設施（CEBAF）進行了一系列實驗。 該裝置是美國能源部科學辦公室的重要使用者設施。 乙個典型的CEBAF實驗就像高能電子與另乙個粒子的舞蹈，交換一包能量和乙個稱為虛擬光子的角動量單位。 電子的能量決定了這種舞蹈的節奏和步伐。 在實驗中，高能電子束與液化氫靶中的質子緊密相互作用，施加的力甚至比拉出夸克反夸克對所需的四噸還要大。 “我們開發了這個程式來深入研究虛擬康普頓散射，”Elouadhriri 分享道，“這是電子與質子交換虛擬光子的奇妙時刻。 在最終狀態下，質子保持原樣，但後坐力巨大。 你產生了乙個真正的、非常高能的光子，以及那個散射的電子。 ”
當他們收集資料時，他們不知道，除了打算以3D形式成像外，他們還無意中捕獲了訪問質子機械效能所需的關鍵資料。 事實證明，這個特殊的過程——深度虛擬康普頓散射（DVCS）——可能與重力與物質的相互作用密切相關。 1973年，查爾斯·公尺斯納（Charles W. Misner）公尺斯納）、基普 S索恩和約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）在他們的經典著作《Gritation》中詳細闡述了這一概念的一般版本。 他們在書中寫道：“任何無質量的自旋-2場都會產生一種與重力無法區分的力，因為無質量的自旋-2場以與重力相互作用的方式與應力-能量張量耦合。三十年後，理論家馬克西姆·波利亞科夫（Maxim Polyakov）進一步發展了這一想法，為連線DVCS過程和引力相互作用建立了理論基礎。 這一理論突破確立了深度虛擬康普頓散射測量與引力外形因子之間的關係。 我們第一次能夠使用它並提取我們在 2018 年所做的壓力，發表在《自然》雜誌上，現在是正常的和剪下的，“伯克特解釋說。 有關DVCS過程與引力相互作用之間聯絡的更詳細描述，請參閱本文。 本文深入探討了這項研究獲得的初步結果，為探索宇宙奧秘增添了又一寶貴貢獻。 研究人員表示，他們的下一步是努力從現有的DVCS資料中提取他們需要的資訊，以首次確定質子的機械尺寸。 他們還希望利用更新、更具統計學性和更高能量的實驗，這些實驗正在繼續質子的DVCS研究。
與此同時，該研究的合著者對數百種理論出版物中詳細介紹的大量新理論努力感到驚訝，這些努力已經開始使用這種新發現的途徑來探索質子的機械特性。
而且，現在我們正處於這個新的發現時代，最近發布了 2023 年核科學長期計畫。 這將是科學方向的主要支柱，包括開發新設施和新探測器。 我們期待看到更多可以做的事情，“伯克特說。
Elouadhriri 對此表示贊同。
在我看來，這只是未來更大事情的開始。 它改變了我們對質子結構的看法，“她說。
現在，我們可以用力、壓力和物理尺寸來表達亞核粒子的結構，這是物理學家無法理解的，“伯克特補充道。
參考： v d. burkert、l. elouadrhiri、f. x. girod、c. lorcé、p.Schweitzer 和 P e.“研討會：質子的引力形式因素”，沙納漢，2023 年 12 月 22 日，《現代物理評論》。
doi： 10.1103/revmodphys.95.041002
該研究由美國能源部、美國國家科學院Carl G進行以及 Shirley Sontheimer Research** 資助。