科技日報記者 張佳欣

來自美國托馬斯·杰斐遜國家加速器實(shí)驗室的研究團(tuán)隊，首次測量了束縛在原子核內(nèi)質(zhì)子和中子中膠子的分布特征。這一結(jié)果是理解膠子場分布的重大進(jìn)展，將有助物理學(xué)家對膠子進(jìn)行成像。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《物理評論快報》。

膠子是一種亞原子粒子，負(fù)責(zé)介導(dǎo)強(qiáng)相互作用。它將夸克結(jié)合在一起，形成位于普通物質(zhì)原子中心的質(zhì)子和中子，是維系原子核結(jié)構(gòu)的“膠水”。此前的研究主要集中在孤立質(zhì)子或中子內(nèi)膠子的分布，對于膠子在原子核內(nèi)的表現(xiàn)仍知之甚少。

過去40多年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)夸克處于原子核內(nèi)部時，運(yùn)動速度變慢，這一現(xiàn)象被稱為“EMC效應(yīng)”，但其成因一直未解。由于膠子不帶電，是中性粒子，僅通過強(qiáng)相互作用起作用，因此比帶電的夸克更難被測量。

為了探究膠子分布，團(tuán)隊采用了間接方法，即測量一種被稱為J/ψ的粒子。J/ψ由粲夸克和反粲夸克構(gòu)成，而粲夸克并不存在于普通質(zhì)子或中子中，因此其生成過程只能來自高能光子與膠子的相互作用。

實(shí)驗在杰斐遜實(shí)驗室的連續(xù)電子束加速器設(shè)施中進(jìn)行。團(tuán)隊利用高能光子束撞擊氘、氦和碳等原子核。由于這些原子核內(nèi)部的質(zhì)子和中子處于運(yùn)動狀態(tài)，其動能可與光子的能量疊加，光子能量即便低于通常所需的8.2 GeV閾值，也能產(chǎn)生J/ψ粒子。

這項實(shí)驗首次實(shí)現(xiàn)在亞閾值條件下J/ψ的產(chǎn)生，并成功測得相關(guān)數(shù)據(jù)。換句話說，借助原子核內(nèi)“活動”的核子，人們成功“成像”了將質(zhì)子和中子黏合在一起的“核膠水”。

更令人驚訝的是，實(shí)際測得的J/ψ數(shù)量竟高于理論預(yù)測，暗示原子核中的“核膠水”表現(xiàn)與孤立質(zhì)子或中子內(nèi)的膠子行為存在差異。