分析夸克与胶子相互作用,确认质子内部压力比中子星大10倍

一颗中子星的直径只有数十公里,却包含了1~2 颗太阳的质量,可知其内部压力要有多高,才能将如此大量的物质压缩在小小空间里。然而麻省理工学院一项新研究发现,质子内部压力比中子星还要大 10 倍。

在粒子标准模型中,质子由3 个基本粒子夸克(2 个上夸克+ 1 个下夸克)组成,夸克又经由胶子所传递的强交互作用(宇宙四种基本力中最强的一种)紧密捆绑在一起。细部观察之,会发现质子中心的夸克和胶子产生一股力往外猛推、而周围区域又有其他力往内猛压,两者不断竞争抗衡的结果稳定了质子整体结构。

来自麻省理工学院的物理学家们现在利用夸克与胶子的相互作用,计算出质子内部的压力分布,发现质子核心压力高达10^35 帕(Pa),比中子星的内部压力大10 倍。

他们的研究结果和去年来自美国能源部杰斐逊实验室(托马斯·杰斐逊国家加速器设备)团队的结论相似,后者利用电子束撞击氢原子目标物,电子与目标质子内部的夸克相互作用,然后研究人员根据电子从目标物散射的方式确定整个质子压力分布。

但麻省理工学院研究人员表示,上述研究的分析叙述还不够完整。杰斐逊实验室团队只根据夸克的相互作用计算压力分布,没有考虑胶子,然而质子由夸克和胶子组成,它们在质子内部以动态波动方式不断相互作用着,若要计算压力分布,两者缺一不可。

麻省理工学院助理教授Phiala Shanahan 及其团队采用量子色动力学(Quantum Chromodynamics,QCD)方程,利用超级计算机计算质子内部压力,花了约18 个月运行各种配置,才确定了从质子中心到边缘每个点的平均压力,并且相对于杰斐逊实验室的结果,发现质子周围的低压区域扩展得更远。

众所皆知中子星密度高得吓人,一茶匙中子星的物质其重量是月球 15 倍。但现在分析证明,构成宇宙中大部分可见物质的粒子质子,压力更大。新论文发布在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。