質子質量的奧秘:膠子的能量占主導

萬象經驗 發佈 2024-02-27T18:37:50.989438+00:00

質子,是我們熟知的構成原子核的粒子之一,也是化學元素的標誌。它帶有正電荷,與電子相互吸引,形成穩定的原子。根據現代物理學的標準模型,質子是一種強子,也就是由夸克和膠子組成的複合粒子。夸克是一種基本粒子,有六種不同的類型,分別是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。

質子,是我們熟知的構成原子核的粒子之一,也是化學元素的標誌。它帶有正電荷,與電子相互吸引,形成穩定的原子。

根據現代物理學的標準模型,質子是一種強子,也就是由夸克和膠子組成的複合粒子。夸克是一種基本粒子,有六種不同的類型,分別是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。每種夸克都有不同的電荷、質量和自旋等屬性。膠子是一種無質量的玻色子,有八種不同的類型,它們通過強相互作用力將夸克捆綁在一起。


質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成的,每個上夸克帶有2/3單位的正電荷,每個下夸克帶有-1/3單位的負電荷,所以質子總共帶有一個單位的正電荷。根據測量結果,上夸克和下夸克的靜止質量分別為1.67 MeV/c^2和2.16 MeV/c^2,如果把它們加起來,得到5.49 MeV/c^2。但是,這個數字遠遠小於質子的靜止質量938.27 MeV/c^2。也就是說,組成質子的三個夸克只占了質子總質量的0.6%。

那麼,剩下的99.4%的質量又是由什麼決定的呢?答案就是膠子和夸克之間運動能量和相互作用能量。雖然膠子本身沒有靜止質量,但它們具有能量,並且根據愛因斯坦的著名公式E=mc^2,能量和質量是等價的。也就是說,膠子雖然沒有靜止質量,但它們具有動質量,這種動質量就是由膠子攜帶的能量除以光速平方得到的。

儘管夸克也有自己的質量,但是相比於膠子的能量,它們的質量可以忽略不計。那麼,膠子攜帶了多少能量呢?這個問題很難回答,因為膠子不是孤立存在的,而是在一個複雜而動態的系統中與夸克相互作用,形成了複雜而動態的膠子云。這些膠子云的能量遠遠超過了夸克的能量,從而占據了質子的絕大部分質量。

要測量膠子的質量並不容易,因為膠子不能單獨存在,而是被禁閉在強子內部。物理學家只能通過間接的方法來推斷膠子的質量,例如通過觀察強子的性質和反應。其中一種方法是利用光子-質子碰撞來產生一種名為J/ψ介子的亞原子粒子,它由一個粲夸克和一個反粲夸克組成,因此攜帶有質子中膠子的信息。通過測量J/ψ介子的產生率和動能分布,可以推斷出膠子在質子中的分布和貢獻。

美國托馬斯·傑斐遜國家加速器設施發表在《物理評論快報》雜誌上的論文報告了他們在光子-質子碰撞中測量J/ψ介子的結果。他們發現,在以前未探索過的低能量區域,J/ψ介子的產生率比預期要高,這意味著膠子對質子質量的貢獻更大。他們估計,膠子對質子質量的直接貢獻為80%以上 。這一發現不僅揭示了膠子對質子質量的重要作用,也為進一步探索強相互作用和夸克-膠子物質提供了新的視角。

關鍵字: