本文來源：科學(xué)大院（ID：kexuedayuan）
作者：芝麻（俄亥俄州立大學(xué)）
我們頭頂?shù)挠钪妫瑥V袤而無垠，神秘而深邃。其中，除了暗物質(zhì)之外，大部分物質(zhì)都由電子及原子核構(gòu)成。每個(gè)原子核又至少含有一個(gè)質(zhì)子，質(zhì)子中包含更為基本的粒子——夸克。它們被膠子傳遞的強(qiáng)相互作用牢牢粘在一起，從而形成十分穩(wěn)定的質(zhì)子。
那么，由夸克和膠子構(gòu)成的質(zhì)子究竟長(zhǎng)什么樣，我們又應(yīng)該如何來觀測(cè)它的“樣貌” 呢？
質(zhì)子結(jié)構(gòu)的藝術(shù)想象圖（圖片來源：www.bnl.gov）
翻譯（自上而下）：質(zhì)子 下夸克 上夸克 膠子 上夸克
如何觀測(cè)微觀世界
在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過光學(xué)顯微鏡來觀測(cè)細(xì)胞的樣貌，但是，當(dāng)物體的尺寸相對(duì)于光的波長(zhǎng)較小時(shí)，光的衍射效應(yīng)會(huì)使物體的像變得十分模糊，從而無法再對(duì)物體作出清晰地觀測(cè)。
為了提高分辨精度，我們可以使用波長(zhǎng)更短、能量更高的電磁波（如X射線）來觀測(cè)，甚至可以用高能電子代替電磁波，制成所謂的電子顯微鏡，利用它，我們可以觀測(cè)分子尺度的蛋白質(zhì)與DNA。
當(dāng)我們?cè)噲D觀測(cè)尺寸極小的原子的結(jié)構(gòu)時(shí)，我們可以使用能量更高的粒子來轟擊原子，通過觀測(cè)散射粒子的分布對(duì)原子結(jié)構(gòu)從理論上進(jìn)行推測(cè)。
利用這種方法，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）等人在1909年通過α粒子轟擊金箔從而推斷出原子的基本結(jié)構(gòu)，并通過計(jì)算，得到原子核的尺寸應(yīng)該小于10-14米，這遠(yuǎn)小于金原子的尺寸10-10米。
然而，后來人們由氫原子蘭姆位移實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，作為原子核組成成分的質(zhì)子尺寸更小，只有不到10-15米。如果把我們的拳頭放大到地球大小，原子也不過是與玻璃彈珠相仿，觀測(cè)尺寸比原子還小5個(gè)數(shù)量級(jí)的質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，難度可想而知。
從物質(zhì)世界到夸克
翻譯（自上而下）：物質(zhì) 原子核 夸克 質(zhì)子
探秘質(zhì)子結(jié)構(gòu)
當(dāng)今，人們探測(cè)質(zhì)子結(jié)構(gòu)的主要方法是深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)（Deep Inelastic Scattering，DIS）。
例如，位于德國(guó)的強(qiáng)子-電子環(huán)形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator， HERA）便是利用高能電子輻射出的虛光子轟擊質(zhì)子并與其中的夸克相互作用，最后散射出粒子的分布依賴于質(zhì)子中膠子和夸克的空間分布等性質(zhì)，科學(xué)家從而可以根據(jù)散射粒子的分布，推測(cè)質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
深度非彈性散射示意（圖片來源：http://cerncourier.com/cws/article/cern/62505）
翻譯：Electron 電子 q 夸克 P 質(zhì)子
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用來轟擊質(zhì)子的電子能量不同時(shí)，質(zhì)子展現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)并不相同。
在低能下，質(zhì)子內(nèi)部主要顯示出三個(gè)價(jià)夸克，包含兩個(gè)上夸克以及一個(gè)下夸克。
在高能或者說更短的時(shí)間尺度下，夸克可以釋放出膠子，然后膠子又很快地被其他夸克吸收。在被吸收之前，膠子也可以分裂出膠子或一對(duì)正反夸克，然后它們會(huì)迅速再融合為一個(gè)膠子，繼而被吸收，如此等等。
質(zhì)子中的這些膠子不斷地迅速產(chǎn)生、湮滅，如同在夏日夜空中不斷飛舞閃爍的螢火蟲。利用散射實(shí)驗(yàn)對(duì)質(zhì)子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)，就如同用相機(jī)對(duì)飛舞的螢火蟲拍照一般，每次觀測(cè)都會(huì)得到不同的質(zhì)子結(jié)構(gòu)，也就是說質(zhì)子的結(jié)構(gòu)是不斷漲落的（fluctuating），探索這種膠子的漲落行為成為研究質(zhì)子結(jié)構(gòu)的重要課題之一。
然而，很多散射實(shí)驗(yàn)過程對(duì)膠子的漲落并不敏感，而只依賴于膠子在較長(zhǎng)時(shí)間尺度的平均行為。但是，有一類特殊的衍射類深度非彈性散射過程（Diffractive DIS）則直接依賴于膠子的漲落，從而可以作為研究質(zhì)子內(nèi)部膠子漲落的重要過程。
來自美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的 Heikki M?ntysaari 與 Bj?rn Schenke 發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》的工作，通過分析該類散射實(shí)驗(yàn)中的非相干衍射過程（Incoherent Diffraction）研究了質(zhì)子內(nèi)部膠子的漲落。
非相干衍射過程
我們知道，參與強(qiáng)相互作用的夸克以及膠子攜帶著類似于電荷的另一種荷——色荷。
在深度非彈性散射過程中，如果產(chǎn)生的粒子或者粒子系統(tǒng)與被轟擊的靶粒子之間整體上交換色荷，那么它們將帶上相反的色荷。類似于兩個(gè)帶相反電荷的粒子之間會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，產(chǎn)生的粒子系統(tǒng)與靶粒子之間也會(huì)有膠子場(chǎng)產(chǎn)生。
但由于膠子本身也攜帶色荷，所以，膠子場(chǎng)并不會(huì)像異性電荷之間的電磁場(chǎng)那樣彌漫到整個(gè)空間，而是由于膠子間的相互吸引而保持管狀，即所謂的色流管（color flux tube）或色弦（color string）。
當(dāng)色流管被拉到足夠長(zhǎng)，從而儲(chǔ)存足夠多的能量時(shí)，就可以不斷地產(chǎn)生夸克-反夸克對(duì)或者雙夸克-反雙夸克對(duì)，最后整個(gè)色流管會(huì)斷裂成許多具有不同速度（快度）的新粒子。
色流管示意圖
在前面提到的衍射類散射過程中，產(chǎn)生的粒子或者粒子系統(tǒng)與靶粒子之間不交換色荷，那么二者之間便不會(huì)產(chǎn)生色流管。最后產(chǎn)生的粒子中，不會(huì)有色流管斷裂生成的具有不同速度的新粒子，從而在最后的粒子速度分布譜中會(huì)有一段空隙，實(shí)驗(yàn)學(xué)家可以通過這個(gè)特點(diǎn)，從深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)中篩選出衍射類散射過程。
在衍射類散射過程中，根據(jù)靶粒子是否可以保持完整進(jìn)一步分為相干衍射和非相干衍射。以靶粒子為質(zhì)子的散射過程為例，相干衍射過程中的質(zhì)子在散射前后保持完整，整個(gè)過程依賴于質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的平均行為。
反之，非相干衍射過程中的質(zhì)子會(huì)被擊碎，而這種過程也強(qiáng)烈依賴于質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的漲落行為，從而可以用來研究質(zhì)子內(nèi)部膠子分布的漲落性質(zhì)。
從質(zhì)子結(jié)構(gòu)到宇宙開端
Heikki 與 Schenke 在前人的理論基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，為了正確地解釋衍射類散射過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的漲落至關(guān)重要：
三個(gè)夸克在質(zhì)子中的位置可以不斷變化，并且它們不斷地發(fā)射出漲落的膠子，這些膠子如同云一樣，形成膠子云圍繞在三個(gè)夸克周圍，而膠子云的疏密分布也會(huì)變化。也正因?yàn)檫@些漲落行為，質(zhì)子可以具有非常不同的形態(tài)。
質(zhì)子結(jié)構(gòu)的“快照”（圖片來源：Phys. Rev. Lett. 117 052301 (2016)）
我們知道，現(xiàn)在科學(xué)家們普遍認(rèn)為，宇宙起源于一次大爆炸。
歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider, LHC）與美國(guó)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）將重離子加速到接近光速然后進(jìn)行對(duì)撞。
研究人員認(rèn)為，在對(duì)撞后的極短時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生與宇宙大爆炸后約10微秒時(shí)的狀態(tài)非常類似的物質(zhì)，能夠用來研究宇宙最初階段的性質(zhì)。對(duì)這種過程的研究從根本上也需要知道質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的漲落行為。
如今，美國(guó)正在規(guī)劃新的高精度粒子加速器——電子-離子對(duì)撞機(jī)（Electron-Ion Collider, EIC），計(jì)劃在10年后開展電子與質(zhì)子或重核的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，并將對(duì)非相干衍射過程進(jìn)行觀測(cè)，從而直接地對(duì)膠子漲落進(jìn)行研究。這將有助于我們更好地理解重離子對(duì)撞過程以及早期宇宙的性質(zhì)。
