一个物理学家团队踏上了一段鲜有人涉足的旅程：探索连接原子核的“胶水”。该测量结果是从美国能源部托马斯-杰斐逊国家加速器设施的实验数据中提取出来的，在同类测量中尚属首次，它将帮助物理学家对被称为胶子的粒子进行成像。

揭示这一成果的论文作为编辑建议发表在《物理评论快报》上。

胶子是强力的媒介，它把夸克（另一种亚原子粒子）“粘 ”在一起，形成位于普通物质原子中心的质子和中子。虽然以前的测量让研究人员了解了胶子在单独的质子或中子中的分布情况，但他们对胶子在结合在原子核中的质子或中子内部的行为却知之甚少。

乔治-华盛顿大学物理学助理教授、这项工作的主要研究者阿克塞尔-施密特（Axel Schmidt）说：“这一结果标志着我们在了解质子中的胶子场位置方面向前迈进了一大步。我们看到的证据表明，当质子或中子处于原子核内部时，它可能会发生变化?！?/span>

迷人的路标颗粒

四十多年来，物理学界一直知道，夸克--我们可见宇宙的组成部分--在组成原子核内的质子或中子时，与单独的质子或中子相比，移动速度较慢。但物理学家们一直没能弄清为什么会出现这种被称为 EMC 效应的现象。

要想进一步了解这种现象以及整个强力，物理学家需要像探测夸克那样探测胶子。然而，测量中性胶子的分布比测量带电夸克的分布更具挑战性。

“研究这些只通过强力相互作用的中性粒子要困难得多，”麻省理工学院的研究生卢卡斯-艾兴格（Lucas Ehinger）说，他参与了这次测量的分析工作?！拔颐嵌运羌捌湓谠雍酥械亩ρе跎?，包括它们是否存在任何潜在的电磁兼容效应?！?/span>

这项工作朝着改变这种状况迈出了一步。它通过测量一种完全不同的粒子来实现这一目标： J/ψ（或 J/psi）。

该实验是在杰斐逊实验室的连续电子束加速器设备（CEBAF）上进行的，该设备是美国能源部（DOE）的用户设施，为全世界 1650 多名核物理学家的研究提供支持。CEBAF 的电子束还可用于产生高能光子束，用于探索原子核的实验。

向质子和中子发射光子束可以产生J/ψ粒子，每个粒子都会迅速衰变成电子和正电子。探测到这一对粒子，就可以知道实验中产生了多少个 J/ψ。J/ψ 是由粲夸克组成的。由于粲夸克是六种夸克中的一种，不属于质子或中子，物理学家知道 J/ψ 是由光子和胶子之间的相互作用产生的，它可以产生包含任何夸克的粒子。

J/ψ的产生是研究胶子分布的一个常用工具。杰斐逊实验室以前的实验使用光子束在GlueX探测器中测量单独质子的J/ψ产生。要产生J/ψ这种重粒子，光子束的能量必须非常高，至少8.2 GeV。

GlueX 探测器系统。

在这项工作中，实验小组也使用光子束来产生 J/ψ。不过，他们能够使用低于 8.2 GeV 能量阈值的光子，并在 GlueX 探测器中测量结果。

之所以能够做到这一点，是因为他们使用了不同的原子核作为目标：氘、氦和碳。与单独的质子或中子靶不同，这些原子核内的质子和中子会四处移动。它们的动能与进入的阈值以下光子的能量结合在一起，共同提供足够的能量来产生 J/ψ。

因此，该研究小组首次测量了低于静止质子所需的光子能量阈值的 J/ψ 光生成。由于这次测量是在原子核外进行的，因此它可以拍摄到原子核内将质子和中子结合在一起的“胶水”的图像。

“我们正处于核胶研究的前沿。本质上来说，我们什么都不知道，所以你测量的一切都是有信息的，”麻省理工学院物理学教授、这项工作的主要研究者奥尔·亨（Or Hen ）说道。“这非常令人兴奋，同时也非常困难?！?/span>

为未来的测量绘制地图

这次“探路者”测量之所以困难重重，原因之一是没有以前的测量数据作为指导。在开始进行分析时，研究团队甚至不确定这是否可行。收集这些数据的实验原本并不打算测量阈下 J/ψ 的产生；它更像是一个充满希望的附加实验。

幸好，研究人员的团队中有杰克逊-派伯斯（Jackson Pybus）。派伯斯在麻省理工学院攻读研究生期间就领导了大部分分析工作。他利用了自己在德国留学期间所受的训练。在那里，他与一位理论家一起学习了光前动力学。

这种方法通常适用于描述相对论粒子行为（粒子以接近光速运动）的量子场论。在这项研究中，它对描述原子核等粒子系统最有用。运用这种理论方法中的技巧，派伯斯和研究团队得以提取出这种测量结果。

亨说：“这项工作不仅在教给我们物理学知识方面独一无二，而且在研究生为获得物理学知识而采用的技术方面也是独一无二的。除了杰克逊，我们中没有人能完成这项工作。他功不可没。”

当实验人员将他们的阈下测量结果与理论预测进行比较时，他们发现产生的J/ψ比理论预测的要多。这种差异暗示，核胶的行为与单独质子或中子中的胶不同，但需要更多的数据来确定究竟是如何不同的。幸运的是，这些结果将成为指导未来类似测量的地图。

派伯斯现在是洛斯阿拉莫斯国家实验室的一名博士后研究员，他说：“既然我们知道可以进行这种测量，我们就非常希望优化一个更长的实验，以详细测量并定量确定其中一些潜在的奇异效应，我们现在对这些效应真的只有初步了解?！?/span>

这项工作中使用的数据--只有几十个 J/ψ 测量值--是在 2021 年为期六周的较短时间内收集的。研究小组正在提议进行一项专门研究核胶的实验，再次使用CEBAF的光子束和GlueX仪器。

亨说：“想象一下，如果我们有100天的专用加速器时间来真正研究这一反应，我们能做些什么。我们现在正在进行非常艰苦的工作，绘制强核力的前沿图，希望有一天--也许不是在我们有生之年--人类知识的提高能带来更好的技术和更可持续的动力源?！?/span>

这些结果还可以指导即将建成的电子-离子对撞机（EIC）上的胶子实验，该对撞机计划进一步研究胶子。

施密特说：“我们希望了解这个问题，并在这台机器启动之前就能很好地掌握发生了什么，以及应该从哪里着手?！?/span>

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