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Swirling Forces, Crushing Pressures Measured in the Proton
2024/8/21
Quanta Science Podcast
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Cédric Lorce
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Fiala Shanahan
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Francois-Xavier Giraud
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Latifa Elo-Adriri
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Peter Schweitzer
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Volker Burkert
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Yoshitaka Hata
Latifa Elo-Adriri: 我认为这项实验为我们理解物质的基本结构开辟了一个全新的方向，它用全新的视角照亮了质子，改变了我们看待物质基本结构的方式。
这项研究为我们理解物质的基本结构开辟了一个全新的方向，它用全新的视角照亮了质子。几十年来，研究人员一直在仔细绘制带正电粒子的电磁影响图。但新的研究中，杰斐逊实验室的物理学家们则绘制了质子的引力影响图，即质子内部能量、压力和剪切应力的分布，这些分布会弯曲质子内外时空结构。研究人员利用光子对可以模拟引力子的特殊方式来做到这一点。引力子是假设中传递引力的粒子。通过用光子撞击质子，他们间接地推断出引力将如何与质子相互作用，实现了数十年来以这种替代方式探测质子的梦想。
Peter Schweitzer: 我们对质子的了解还很有限，比如我们知道它的总质量，也知道电荷的分布，但不知道物质和能量在质子内部是如何分布的。这项研究极其令人兴奋，因为它让我们能够探测质子内部的压力和力，这些信息以前是无法获得的。
我们对质子的了解还很有限。例如，我们知道它的总质量，也知道电荷是如何分布的（来自电磁形状因子）。但是，物质和能量在质子内部是如何分布的呢？我们不知道。我职业生涯的大部分时间都在思考质子的引力方面的问题，特别是我对质子的能量-动量张量这个矩阵属性很感兴趣。能量-动量张量包含了关于质子的一切信息。爱因斯坦的广义相对论将引力解释为物体沿着时空曲线运动。在这个理论中，能量-动量张量告诉时空如何弯曲。例如，它描述了能量的分布，这是时空扭曲的主要来源。它还跟踪动量是如何分布的，以及哪里会有压缩或膨胀，这些也会轻微地弯曲时空。
Volker Burkert: 实验结果表明质子内部压力分布符合稳定性要求：内部正压，外部负压。这与理论预期一致，如果压力分布不符合这个规律，质子将不稳定。
质子内部的压力分布与理论预期完全一致。质子内部必须存在正压，否则它会坍缩；而质子外部必须存在负压，否则它会爆炸。因此，质子必须是稳定的。实验结果证实了这一点。
Cédric Lorce: 我们没有进行引力实验，而是提取了能量-动量张量的一部分信息。从能量-动量张量出发，根据爱因斯坦相对论，它本质上是引力场的来源，我们可以了解质子应该如何与引力子相互作用。
我们没有进行引力实验，而是提取了能量-动量张量的一部分信息。根据爱因斯坦相对论，能量-动量张量是引力场的来源，因此我们可以了解质子应该如何与引力子相互作用。
Francois-Xavier Giraud: 通过考虑我们在这里学到的知识，我们已经更新了在CERN使用的模型。新的质子图谱可能有助于解决质子最深奥的谜团之一：为什么夸克会结合成质子。
通过考虑我们在这里学到的物理知识，在欧洲核子研究中心（CERN）使用的模型已经过更新。新的图谱还可以帮助我们解决质子最深奥的谜团之一：为什么夸克会结合成质子？
Yoshitaka Hata: 杰斐逊实验室的研究团队已经做出了基于现有条件的最佳努力。更精确的质子引力图有待未来更强大的实验设备。
杰斐逊实验室的研究团队已经基于他们所拥有的条件做出了最好的努力。更清晰的质子夸克和胶子的引力图可能在2030年代出现。届时，目前正在布鲁克海文国家实验室建设的电子离子对撞机将开始运行。
Fiala Shanahan: 理论计算结果与实验结果大体一致。这让我很兴奋。
到目前为止，我们的数字发现与杰斐逊实验室的物理发现大体一致。我对最近的实验结果和我们的数据之间的一致性感到非常兴奋。
Deep Dive
The proton is explored as a subatomic planet, with experiments revealing details of its interior, including intense pressures and clashing forces. Researchers are mapping the proton's gravitational influence, using photons to mimic gravitons and indirectly infer how gravity interacts with it. This new approach provides information beyond what's available from traditional electromagnetic interactions.
- Proton's core has pressures exceeding any other known matter
- Clashing force vortices exist halfway to the surface
- Proton's size is smaller than previously thought
- Experiments use photons to mimic gravitons
- Traditional methods focused on electromagnetic interactions, neglecting other properties
Shownotes Transcript