首张由夸克和胶子组成的原子核连贯图像

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原子核由质子和中子组成，这两种粒子是通过胶子结合的夸克相互作用而存在的。因此，似乎不难仅使用夸克和胶子来重现迄今为止在核实验中观察到的原子核的所有特性。然而，直到现在，包括克拉科夫波兰科学院核物理研究所的物理学家才成功做到这一点。
原子核的主要成分——质子和中子被发现至今已近一个世纪。最初，人们认为这些新粒子是不可分割的。然而，在 20 世纪 60 年代，有人提出，在足够高的能量下，质子和中子会显露出它们的内部结构——夸克的存在，它们始终被胶子束缚在一起。
不久之后，夸克的存在得到了实验证实。因此，令人惊讶的是，尽管已经过去了几十年，但没有人能够用夸克胶子模型重现低能核实验的结果，当时原子核中只有质子和中子可见。
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这一长期僵局直到最近才在《物理评论快报》发表的一篇论文中被打破。该论文的主要作者是来自国际 nCTEQ 夸克胶子分布合作项目的科学家，其中包括来自克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 的科学家。
“到目前为止，原子核有两种平行的描述，一种基于我们在低能下看到的质子和中子，另一种基于夸克和胶子，适用于高能。在我们的工作中，我们成功地将这两个迄今为止分离的世界联系在一起，”参与这项研究的三位 IFJ PAN 理论家之一亚历山大·库西纳博士说。
人类之所以能看到周围的环境，是因为他们使用天生的探测器（眼睛）来记录散射的光子，这些光子之前曾与构成我们环境物体的原子和分子发生过相互作用。物理学家以类似的方式了解原子核：他们让原子核与更小的粒子发生碰撞，并仔细分析碰撞的结果。
然而，出于实际原因，他们使用的不是电中性的光子，而是带电荷的基本粒子，通常是电子。实验表明，当电子具有相对较低的能量时，原子核的行为就像是由核子（即质子和中子）组成的，而在高能量下，部分子（即夸克和胶子）在原子核内是“可见的”。
原子核与电子碰撞的结果已经通过假设仅存在核子来描述低能碰撞和仅存在部分子来描述高能碰撞的模型很好地再现。然而，到目前为止，这两种描述还不能结合成一幅连贯的图景。
在他们的工作中，来自 IFJ PAN 的物理学家使用了高能碰撞数据，包括在日内瓦 CERN 实验室的 LHC 加速器上收集的数据。主要目标是研究高能原子核的部分子结构，目前由部分子分布函数 (PDF) 描述。
这些函数用于映射夸克和胶子在质子和中子内部以及整个原子核中的分布情况。利用原子核的 PDF 函数，可以确定实验可测量的参数，例如电子或质子与原子核碰撞时产生特定粒子的概率。
从理论角度来看，本文提出的创新实质是巧妙地扩展了部分子分布函数，其灵感来自于用于描述低能碰撞的核模型，其中质子和中子被假设结合成强相互作用的核子对：质子-中子、质子-质子和中子-中子。
这种新方法使研究人员能够确定所研究的 18 个原子核的部分子分布函数、原子核中的部分子分布、相关核子对中的部分子分布，甚至此类相关核子对的数量。
结果证实了低能实验中已知的观察结果，即大多数关联对都是质子-中子对（这一结果对于重核，例如金或铅，尤其有趣）。本文提出的方法的另一个优点是，它比用于确定原子核中部分子分布的传统方法更好地描述了实验数据。
“在我们的模型中，我们进行了改进，以模拟某些核子的配对现象。这是因为我们认识到这种影响在部分子层面也可能相关。有趣的是，这使得理论描述的概念简化，这将使我们能够在未来更精确地研究单个原子核的部分子分布，”Kusina 博士解释说。
理论预测与实验数据之间的一致性意味着，利用部分子模型和高能区数据，首次可以重现迄今为止仅通过核子描述和低能碰撞数据解释的原子核行为。所述研究的结果为更好地理解原子核的结构开辟了新的视角，统一了原子核的高能和低能方面。