一项新研究表明，颗粒的核心承受的压力高于中子星内部的压力。

中子星是宇宙中最密集的物体之一，承受的压力非常大，以至于一茶匙的恒星物质将相当于月球重量的15倍。然而事实证明，质子 - 构成宇宙中大部分可见物质的基本粒子 - 包含更高的压力。

麻省理工学院的物理学家第一次计算了质子的压力分布，发现该粒子含有一个高压核心，在最强烈的点上，它产生的压力比中子星内部的压力更大。

这个核心从质子的中心向外推进，而周围区域向内推进。(想象一下，棒球试图在一个正在崩溃的足球内扩张。)竞争压力的作用是稳定质子的整体结构。

发表在“ 物理评论快报 ”上的物理学家的研究结果表明， 科学家们首次通过考虑夸克和胶子(质子的基本原子成分)的贡献来计算质子的压力分布。

“压力是质子的一个基本方面，我们目前对此知之甚少，”主要作者，麻省理工学院物理学助理教授Phiala Shanahan说。“现在我们发现质子中心的夸克和胶子产生了明显的向外压力，而且进一步向边缘施加了压力。有了这个结果，我们就开始全面了解质子的结构。“

Shanahan与合着者，麻省理工学院物理学副教授William Detmold进行了这项研究。

卓越的夸克

2018年5月，美国能源部的托马斯杰斐逊国家加速器设施的物理学家宣布，他们首次使用一束电子向氢气制成的目标射击测量了质子的压力分布。电子与目标中质子内部的夸克相互作用。然后，物理学家根据电子从目标散射的方式确定整个质子的压力分布。他们的结果显示质子中的高压中心在其最高压力点测得大约10 35 帕斯卡，或者是中子星内压力的10倍。

然而，Shanahan说，他们对质子压力的描述是不完整的。

“他们发现了一个非常了不起的结果，”Shanahan说。“但是由于我们的理解不完全，这一结果受到了许多必要的重要贡献。”

具体而言，研究人员根据质子夸克的相互作用，而不是其胶子的压力估计。质子由夸克和胶子组成，它们在质子内部以动态和波动的方式不断相互作用。杰斐逊实验室团队只能确定夸克与其探测器的贡献，沙纳汉说，它遗漏了质子压力贡献的很大一部分。

“在过去的60年里，我们对夸克在质子结构中的作用有了很好的理解，”她说。“但胶子结构远非难以理解，因为它很难测量或计算。”

胶子移位

Shanahan和Detmold没有使用粒子加速器测量质子的压力，而是通过使用超级计算机来计算夸克和胶子之间相互作用(包括质子的压力)，从而包括胶子的作用。

Shanahan说：“在一个质子里面，有一对夸夸其谈的量子真空，包括夸克和反夸克，以及胶子，出现和消失。” “我们的计算包括所有这些动态波动。”

为此，该团队采用物理学技术称为晶格QCD，用于量子色动力学，这是一组描述强力的方程式，强力是粒子物理学标准模型的三个基本力之一。(另外两个是弱力和电磁力。)强力是将夸克和胶子结合在一起最终形成质子的力量。

格子QCD计算使用点的四维网格或点阵来表示空间的三维和时间之一。研究人员利用晶格上定义的量子色动力学方程计算了质子内部的压力。

“它的计算要求非常高，因此我们使用世界上最强大的超级计算机来进行这些计算，”Shanahan解释道。

该团队花了大约18个月的时间通过几台不同的超级计算机运行各种配置的夸克和胶子，然后确定从质子中心到边缘的每个点的平均压力。

与杰斐逊实验室的结果相比，Shanahan和Detmold发现，通过包含胶子的贡献，质子中的压力分布发生了显着的变化。

“我们第一次看到了胶子对压力分布的贡献，我们可以真正看到，相对于之前的结果，峰值变得更强，压力分布从质子的中心进一步延伸，”Shanahan说。

换句话说，似乎质子中的最高压力大约是10 35 帕斯卡，或者是中子星的10倍，类似于杰斐逊实验室报道的研究人员。周围的低压区域比先前估计的更远。

确认这些新的计算将需要更强大的探测器，例如电子 - 离子碰撞器，一种物理学家用于探测质子和中子内部结构的粒子加速器，比以往更详细，包括胶子。

“我们正处于定量理解胶子在质子中的作用的早期阶段，”Shanahan说。“通过结合实验测量的夸克贡献，我们对胶子片的新计算，我们得到了质子压力的第一张完整图片，这是一种可以在未来10年内在新碰撞器上进行测试的预测。”