物理学家对质子结构异常现象感到疑惑

当这种情况在早期的测量中出现时，人们普遍认为这是一种侥幸。然而，这种新的、更精确的测量证实了异常现象的存在，并提出了关于其起源的重要问题。该研究于10月19日发表在《自然》杂志上。

"在这一点上，有一些东西是我们明显缺少的。质子是自然界中唯一稳定的复合构建块。因此，如果我们在那里缺少一些基本的东西，它对所有的物理学都有影响或后果。"- Nikos Sparveris

新论文的第一作者、天普大学的一名研究生李若南说，对质子的电偏振性的测量揭示了质子在电场中的变形或拉伸的敏感性。像尺寸或电荷一样，电偏振性是质子结构的一个基本属性。

更重要的是，对质子的电偏振性的精确测定可以帮助弥补对质子的不同描述。根据它被探测的方式，质子可能显示为一个不透明的单粒子，或显示为一个由三个夸克在强力作用下组合而成的复合粒子。

"我们想了解质子的次级结构。而我们可以把它想象成一个模型，中间是三个平衡的夸克，"李解释说。"现在，把质子放在电场中。夸克有正电或负电。它们会向相反的方向移动。因此，电偏振性反映了质子有多容易被电场所扭曲。

在虚拟康普顿散射反应中产生的真实光子为质子提供了电磁扰动，并允许测量其电磁广义极化率。资料来源：图片由天普大学的Nikos Sparveris提供

核物理学家使用了一个叫做虚拟康普顿散射的过程来探测这种扭曲。这个过程从杰斐逊实验室的连续电子束加速器设施（DOE科学办公室的一个用户设施）中的一束精心控制的高能电子开始。这些电子被送入质子中碰撞。

在虚拟康普顿散射中，电子通过发射一个高能光子，或光粒子与其他粒子相互作用。电子的能量决定了它所发射的光子的能量，这也决定了光子如何与其他粒子相互作用。

强核力（又称强力）是自然界中的四种基本力之一（其他是重力、电磁力和弱核力）。正如其名称所示，它是四种力中最强的一种。然而，它也有最短的范围，这意味着粒子必须非常接近才能感受到它的影响。它的主要功能是将原子核的亚原子粒子（带正电荷的质子和不带电荷的中子）结合在一起，这些粒子被统称为核子。

能量较低的光子可能会从质子的表面反弹，而能量较高的光子会在质子内部爆炸，与质子的一个夸克发生作用。理论预测，当这些光子-夸克相互作用从低能量到高能量被绘制出来时，它们将形成一条平滑的曲线。

天普大学物理学副教授、该实验的发言人Nikos Sparveris说，这种简单的画面经不起推敲。测量结果反而发现了一个尚未解释的凸起。

"我们看到的是，极化率的大小有一些局部的增强。正如预期的那样，随着能量的增加，偏振性会下降。而且，在某些时候，在它将下降之前，它似乎又暂时上来了，"他说。"根据我们目前的理论理解，它应该遵循一个非常简单的行为。我们看到的东西偏离了这种简单的行为。而这就是目前让我们感到困惑的事实。"

该理论预测，更有能量的电子更直接地探测强力，因为它将夸克结合在一起，形成质子。核物理学家现在已经证实了质子夸克中的这种奇怪的硬度峰值，这表明强力的一个未知方面可能在起作用。

"在这一点上，我们显然缺少一些东西。质子是自然界中唯一稳定的复合构建块。因此，如果我们在那里缺少一些基本的东西而不找出来，它对所有的物理学研究都有影响或后果，"Sparveris说。

物理学家们表示，下一步是进一步弄清这一异常现象的细节，并进行精密探测，以检查其他的偏差点，并提供更多关于异常现象来源的信息。

李说："我们希望在不同的能量下测量更多的点，以呈现更清晰的画面，看看那里是否有进一步的结构。"

Sparveris对此表示同意："我们还需要精确测量这个增强的形状。他说："形状对于进一步阐明理论是很重要的。"