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科学家搞清楚亚原子粒子的质量到底如何发挥效用

2018-11-28 12:03:26狐视天下

你知道吗,质子的质量大于它各个组成部分质量之和。现在,科学家总算搞清楚亚原子粒子的质量到底如何发挥效用。

质子由更小的、被称为夸克的粒子构成,所以自然的想法是,把每个夸克零件的质量加在一起,就可以得到质子的质量。然而,实际计算后就能发现,全部零件的质量加起来仍然太小,无法解释质子的质量。最新的详细计算表明,质子只有9%的重量来自构成它的夸克。11月23日在《物理评论快报》上发表的论文指出,质子的大部分质量是由其内部复杂的量子效应贡献的。

夸克从与希格斯玻色子的相互作用中获得质量,后者是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子,2012年首次被我们发现。但是,“夸克的质量很小,”上述论文的合作者、莱克星顿肯塔基大学的理论物理学家Keh-Fei Liu说。因此,对于质子,无法用希格斯场来解释。

相反,质子相当于9.38亿个电子的质量,大部分来自量子色动力学或QCD——量子色动力学,描述夸克和胶子相互作用的理论——的复杂性。直接使用QCD理论进行具体计算是非常困难的,因此从理论上研究质子的性质,科学家们依赖于一种被称为格子QCD的技术,把空间和时间分解成网格,而夸克存在于网格之中。

使用这种技术,物理学家先前已经计算出了质子的质量。但加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家AndréWalker-Loud说,之前未能对质量的数值给出解释。不过现在好了, “这令人兴奋,因为它标志着……我们真正地迈入了理论新时代”,格子QCD可以更好地处理核物理学问题。

Liu和他的同事发现,质子除了9%来自夸克的质量外,还有32%来自内部夸克的能量。 (这是因为能量和质量是同一枚硬币的两面,这要归功于爱因斯坦著名的等式E = mc^2。)质子的其他成分,被称为胶子的无质量粒子,负责将夸克黏合在一起,它们的作用能量贡献了另外36%。

剩下的23%是由于夸克和胶子在质子内以复杂的方式相互作用时发生的量子效应。这些相互作用导致QCD无视了被称为标度不变性的原理。根据标度不变性,拉伸或压缩空间和时间对理论结果没有任何影响。因为质量粒子本身就是理论的某个尺度,因此当QCD不服从标度不变性时,质子就会获得质量。

费米实验室的理论物理学家Andreas Kronfeld 说,这一结果并不未令我们感到惊讶。物理学界长期以来一直怀疑质子的质量是以这种方式构成的。但是,他补充说,“用真正的计算取代信念,代表了科学的进步。”