核物理学家可能最终确定了质子中很大一部分质量所在的位置。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揭示了质子质量的半径，该半径是由强力产生的，因为它将质子的构建块夸克粘合在一起。该结果最近发表在《自然》杂志上。

质子最大的谜团之一是其质量的起源。事实证明，质子的测量质量不仅来自它的物理构建块，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，”实验联合发言人Sylvester Joosten解释说，他是美国能源部阿贡国家实验室的实验物理学家。

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在过去的几十年里，核物理学家试探性地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，从它们的运动中获得更多的质量。接下来，它从将这些夸克粘合在一起的强大力能量中获得质量，这种力表现为“胶子”。最后，它从质子夸克和胶子的动态相互作用中获得质量。

这种新的测量可能最终通过精确定位质子胶子产生的物质的位置来揭示质子胶子产生的质量。发现这个物质核心的半径位于质子的中心。结果似乎还表明，这个核心的大小与质子测量良好的电荷半径不同，这个量通常被用作质子大小的代表。

“这种质量结构的半径小于电荷半径，因此它让我们了解质量与核子电荷结构的层次结构，”杰斐逊实验室大厅A&C负责人，实验联合发言人Mark Jones说。

根据实验联合发言人Zein-Eddine Meziani的说法，他是美国能源部阿贡国家实验室的科学家，这一结果实际上有点令人惊讶。

“我们发现的东西是我们真的没想到会以这种方式出现。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报告的五夸克，“Meziani说。

该实验是在杰斐逊实验室连续电子束加速器设施的实验厅C进行的，该设施是美国能源部科学办公室的用户设施。在实验中，来自CEBAF加速器的高能10.6 GeV(十亿电子伏特)电子被送入一小块铜中。电子被块减慢或偏转，导致它们以光子的形式发射辐射。然后，这束光子撞击液氢目标内的质子。探测器将这些相互作用的残余物测量为电子和正电子。

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是一个短暂的介子，由魅力/反魅力夸克组成。一旦形成，它就会迅速衰变成电子/正电子对。

在数十亿次相互作用中，实验者通过确认重合的电子/正电子对，在这些相互作用的横截面测量中发现了大约2，000个J / Ψ粒子。

“这与我们一直在做的事情相似。通过在质子上进行电子的弹性散射，我们一直在获得质子的电荷分布，“琼斯说。“在这种情况下，我们对质子的J / Ψ进行了独家照片制作，我们得到了胶子分布而不是电荷分布。

然后，合作者能够将这些横截面测量值插入描述质子胶子引力形状因子的理论模型中。胶子形状因素详细说明了质子的机械特性，例如其质量和压力。

“有两个量，被称为引力形状因子，我们能够拉出来，因为我们可以使用这两个模型：广义部分分布模型和全息量子色动力学(QCD)模型。我们将每个模型的结果与晶格QCD计算进行了比较，“Meziani补充道。

从这些量的两种不同组合中，实验人员确定了上述由引力子样胶子主导的胶子质量半径，以及延伸到移动夸克之外并限制它们的更大半径的有吸引力的标量胶子。

“我们实验中更令人困惑的发现之一是，在一种理论模型方法中，我们的数据暗示标量胶子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。

进一步探索这一诱人的新结果的一种可能性是电磁阀高强度设备实验程序，称为SoLID。SoLID计划仍处于提案阶段。如果批准向前推进，使用SoLID设备进行的实验将为J / Ψ物理学提供新的见解。

“下一步是用SoLID探测器测量J / Ψ的产生。它将真正能够在该区域进行高精度测量。该计划的主要支柱之一是J / Ψ生产，以及横向动量分布测量和违反奇偶性的深度非弹性散射测量，“琼斯说。

琼斯，Joosten和Meziani代表了一项实验合作，其中包括来自50个机构的10多名核物理学家。发言人还想强调田纳西大学诺克斯维尔分校的主要作者和博士后研究助理Burcu Duran。杜兰在天普大学读研究生时在她的博士论文中介绍了这个实验，她是数据分析背后的推动力。