對質子的膠子引力形式因素的實驗測定可能已經揭示了質子的部分隱藏質量。核物理學家可能最終確定了質子中很大一部分質量的所在。最近在美國能源部的托馬斯-杰斐遜國家加速器設施進行的一項實驗揭示了質子質量的半徑，該半徑是由強力產生的，因為它將質子的構件夸克粘在一起。這一結果於3月29日發表在《自然》雜誌上。

質子質量半徑小於電荷半徑（密集的核心），而標量膠子活動雲則延伸到電荷半徑之外。這一發現可以闡明禁錮和質子的質量分佈。資料來源：阿貢國家實驗室

質子的最大謎團之一是其質量的來源。事實證明，質子的測量質量並不僅僅來自於它的物理構件，即它的三個所謂的價夸克。

“如果你把質子中夸克的標準模型質量加起來，你只能得到質子質量的一小部分，”實驗共同發言人、美國能源部阿貢國家實驗室的實驗物理學家西爾維斯特-約斯特解釋說。

在過去的幾十年裡，核物理學家已經初步拼湊出質子的質量來自幾個來源。首先，它從夸克的質量中獲得一些質量，還有一些來自它們的運動。其次，它從將這些夸克粘在一起的強力能量中獲得質量，這種力表現為”膠子”。最後，它從質子的夸克和膠子的動態相互作用中獲得質量。

這項新的測量工作可能最終揭示了由質子的膠子產生的質量的一些情況，它準確地指出了由這些膠子產生的物質的位置。這個物質核心的半徑被發現位於質子的中心位置。這個結果似乎還表明，這個核心的大小與質子的良好測量的電荷半徑不同，這個數量經常被用作質子大小的代理。

“這個質量結構的半徑小於電荷半徑，因此它給我們一種核子的質量與電荷結構的層次感，”實驗共同發言人、杰斐遜實驗室霍爾斯A&C負責人馬克-瓊斯說。

根據實驗的共同發言人Zein-Eddine Meziani，美國能源部阿貢國家實驗室的工作人員科學家，這個結果實際上是有點令人驚訝的。

“我們所發現的東西是我們真的沒有想到會以這種方式出現的。這個實驗的最初目標是尋找歐洲核子研究中心的研究人員已經報導過的五夸克，”Meziani說。

該實驗在杰斐遜實驗室的連續電子束加速器設施的實驗大廳C進行，該設施是美國能源部科學辦公室的一個用戶設施。在實驗中，來自CEBAF加速器的高能10.6GeV（十億電子伏特）電子被送入一小塊銅中。這些電子被銅塊減速或偏轉，導致它們作為光子發射軔致輻射。然後這束光子擊中了一個液態氫目標內的質子。探測器測量了這些相互作用的殘留物，即電子和正電子。

實驗人員對那些在氫的質子核中產生J/ Ψ粒子的相互作用感興趣。J/ Ψ是一種短命的介子，由魅力/反魅力夸克組成。一旦形成，它就迅速衰變為電子/正電子對。在數十億次的相互作用中，實驗者通過確認重合的電子/正電子對，在其對這些相互作用的截面測量中發現了大約2000個J/ Ψ粒子。

“這與我們一直以來所做的事情相似。通過對電子在質子上做彈性散射，我們一直在獲得質子的電荷分佈，”瓊斯說。”在這種情況下，我們對質子上的J/ Ψ做了獨家的照片製作，我們得到的是膠子分佈而不是電荷分佈。”

然後，合作者能夠將這些截面測量插入描述質子的膠子引力形式因子的理論模型中。膠子形式因子詳細描述了質子的機械特性，如其質量和壓力。

“有兩個量，被稱為引力形式因子，我們能夠拉出來，因為我們有機會接觸到這兩個模型：廣義的粒子分佈模型和全息量子色動力學（QCD）模型。”Meziani補充說：”我們將這些模型的結果與晶格QCD計算進行了比較。”

從這些數量的兩種不同組合中，實驗者確定了上述由類似引力子的膠子主導的膠子質量半徑，以及更大半徑的有吸引力的標量膠子，這些標量膠子延伸到移動夸克之外並限制了它們。

“我們實驗中更令人困惑的發現之一是，在其中一個理論模型方法中，我們的數據暗示了標量膠子的分佈遠遠超出了電磁質子半徑，”Joosten說。”為了充分理解這些新的觀察結果及其對我們理解約束的影響，我們將需要新一代的高精度J/ Ψ實驗。”

進一步探索這個誘人的新結果的一種可能性是螺線管大強度裝置實驗計劃，稱為SoLID。SoLID計劃仍處於提案階段。如果被批准向前推進，用SoLID裝置進行的實驗將為SoLID探測器的J/ Ψ生產提供新的見解。它將真正能夠在這個區域進行高精度的測量。該計劃的主要支柱之一是J/ Ψ生產，同時還有橫向動量分佈測量和違反奇偶性的深度非彈性散射測量。

瓊斯、Joosten和Meziani還帶領著一個實驗合作項目，其中包括來自10個機構的50多名核物理學家參與。發言人還想強調Burcu Duran，他是第一作者，也是田納西大學諾克斯維爾分校的博士後研究助理。Duran在她作為天普大學研究生的博士論文中介紹了這個實驗，她是分析數據的推動者。

該合作項目在2019年2-3月進行了大約30天的實驗。他們一致認為，這個新的結果是耐人尋味的，他們說，他們都期待著未來的結果，這將為它所暗示的新物理學的一瞥帶來更多的啟示。

“對我來說，底線是–現在就有一種興奮。我們能不能找到一種方法來證實我們所看到的東西？這種新的圖片信息是否會堅持下去？”Meziani說。”但對我來說，這真的非常令人興奮。因為如果我現在想到一個質子，我們現在擁有的關於它的信息比以前任何時候都多。”