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质子|天体物理学家告诉你质子的质量从哪来？( 三 )


和往常一样 ， 我们还有很多东西需要学习 。 我们目前有一个质子内典型胶子密度的实体模型 ， 但如果我们想要知道胶子实际上更可能位于何处 ， 这需要更多的实验数据 ， 以及更好的模型来比较数据 。 理论家比约恩·申克和海基·曼蒂萨里的进展或许能够提供那些需求高的模型 。 正如梅恩蒂萨里所详述的:
“质子内的平均胶子密度有多大,这是非常准确的 。 不知道的是胶子在质子内部的确切位置 。 我们模拟三个[价]夸克周围的胶子 。 然后 ， 我们通过设置胶子云的较大程度以及它们之间的距离来控制模型中表示的波动量…我们的波动越多 ， 这个过程[产生J/ ψ介子发生]的可能性就越大 。 ”

质子|天体物理学家告诉你质子的质量从哪来？
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图源：世界第一个电子-电子子对撞机(EIC)的示意图 。 在布鲁克黑文的相对论重子对撞机(RHIC)中加入电子环（红色）将创建eRHIC:一个拟议的深度无弹性散射实验 ， 可以显著提高我们对质子内部结构的了解 。 (图解：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY-CAD ERHIC GROUP)
这一新的理论模型和不断改进的大型强子对撞机（LHC）数据的结合,将能更好地使科学家了解质子、中子和核的内部、基本结构,从而了解已知物体的质量 。 宇宙来自从实验的角度来看 ， 最大的好处将是下一代电子-电子对撞机 ， 这将使我们能够进行深度无弹性散射实验 ， 以揭示这些粒子的内在组成 ， 这是前所未有的 。
但还有另一种理论方法,可以带我们更远进入理解质子质量的来源的领域：格点QCD 。

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图解：通过实验改进和新的理论发展 ， 已经更好地理解了质子的内部结构 ， 包括"海"夸克和胶子的分布方式 。 (图源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
量子场理论描述的强力——量子色动力学(QCD)——的难点是 ， 我们做计算的标准方法是不好的 。 通常 ， 我们会看看粒子耦合的影响：带电夸克交换一个胶子 ， 并调节力 。 它们可以以一种产生粒子-反粒子对或额外的胶子的方式交换胶子 ， 这应该是对一个简单的单胶交换的修正 。 它们可以创建额外的对或胶子 ， 这将是高阶校正 。
我们称这种方法在量子场理论中具有扰动性扩展 ， 认为计算更高阶的贡献将给我们一个更准确的结果 。

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图解：如今 ， Feynman 图表用于计算跨越强力、弱力和电磁力的每个基本相互作用 ， 包括在高能和低温/浓缩条件下 。 但是这种方法依赖于扰动扩展 ， 对于强交互来说其效用有限 ， 因为当您为 QCD 添加越来越多的循环时 ， 此方法会分散而不是收敛 。 .(图源：DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)
但是这种方法对量子电动力学(QED)非常有效 ， 但它在QCD中却失败了 。 强力的工作方式不同 ， 因此这些修正非常迅速 。 添加更多术语 ， 而不是向正确答案趋同 ， 偏离并带您远离它 。 幸运的是 ， 有另一种方法来解决这个问题：使用一种叫做格点QCD的技术 ， 不扰动地 。
通过将空间和时间视为网格（或点格） ， 而不是连续体 ， 其中晶格任意大 ， 间距任意小 ， 您可以巧妙地克服此问题 。 在标准、扰动的 QCD 中 ， 空间的连续特性意味着您失去了在小距离上计算交互强度的能力 ， 而晶格方法意味着在晶格间距的大小处存在截止 。 夸克存在于网格线的交点；沿着连接网格点的链接存在胶子 。
随着计算能力的提高 ， 您可以缩小晶格间距 ， 从而提高计算精度 。 在过去的三十年中 ， 这项技术导致了固体预测的爆炸 ， 包括光核的质量以及特定温度和能量条件下的聚变反应速率 。 质子的质量 ， 从第一原理 ， 现在可以理论上预测到2%以内 。


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