對質子結構在電場中如何變形的精確測量揭示了有關質子數據中一個無法解釋的峰值的新細節。核物理學家已經證實，目前對質子結構的描述並不完美。在美國能源部的托馬斯-傑斐遜國家加速器設施對質子的電偏振性進行的一項新的精確測量揭示了質子結構探測數據中的一個凸點。
當這種情況在早期的測量中出現時，人們普遍認為這是一種僥倖。然而，這種新的、更精確的測量證實了異常現象的存在，並提出了關於其起源的重要問題。該研究於10月19日發表在《自然》雜誌上。
“在這一點上，有一些東西是我們明顯缺少的。質子是自然界中唯一穩定的複合構建塊。因此，如果我們在那裡缺少一些基本的東西，它對所有的物理學都有影響或後果。”- Nikos Sparveris
新論文的第一作者、天普大學的一名研究生李若南說，對質子的電偏振性的測量揭示了質子在電場中的變形或拉伸的敏感性。像尺寸或電荷一樣，電偏振性是質子結構的一個基本屬性。
更重要的是，對質子的電偏振性的精確測定可以幫助彌補對質子的不同描述。根據它被探測的方式，質子可能顯示為一個不透明的單粒子，或顯示為一個由三個夸克在強力作用下組合而成的複合粒子。
“我們想了解質子的次級結構。而我們可以把它想象成一個模型，中間是三個平衡的夸克，”李解釋說。”現在，把質子放在電場中。夸克有正電或負電。它們會向相反的方向移動。因此，電偏振性反映了質子有多容易被電場所扭曲。
在虛擬康普頓散射反應中產生的真實光子為質子提供了電磁擾動，並允許測量其電磁廣義極化率。資料來源：圖片由天普大學的Nikos Sparveris提供
核物理學家使用了一個叫做虛擬康普頓散射的過程來探測這種扭曲。這個過程從傑斐遜實驗室的連續電子束加速器設施（DOE科學辦公室的一個用戶設施）中的一束精心控制的高能電子開始。這些電子被送入質子中碰撞。
在虛擬康普頓散射中，電子通過發射一個高能光子，或光粒子與其他粒子相互作用。電子的能量決定了它所發射的光子的能量，這也決定了光子如何與其他粒子相互作用。
強核力（又稱強力）是自然界中的四種基本力之一（其他是重力、電磁力和弱核力）。正如其名稱所示，它是四種力中最強的一種。然而，它也有最短的範圍，這意味着粒子必須非常接近才能感受到它的影響。它的主要功能是將原子核的亞原子粒子（帶正電荷的質子和不帶電荷的中子）結合在一起，這些粒子被統稱為核子。
能量較低的光子可能會從質子的表面反彈，而能量較高的光子會在質子內部爆炸，與質子的一個夸克發生作用。理論預測，當這些光子-夸克相互作用從低能量到高能量被繪製出來時，它們將形成一條平滑的曲線。
天普大學物理學副教授、該實驗的發言人Nikos Sparveris說，這種簡單的畫面經不起推敲。測量結果反而發現了一個尚未解釋的凸起。
“我們看到的是，極化率的大小有一些局部的增強。正如預期的那樣，隨着能量的增加，偏振性會下降。而且，在某些時候，在它將下降之前，它似乎又暫時上來了，”他說。”根據我們目前的理論理解，它應該遵循一個非常簡單的行為。我們看到的東西偏離了這種簡單的行為。而這就是目前讓我們感到困惑的事實。”
該理論預測，更有能量的電子更直接地探測強力，因為它將夸克結合在一起，形成質子。核物理學家現在已經證實了質子夸克中的這種奇怪的硬度峰值，這表明強力的一個未知方面可能在起作用。
“在這一點上，我們顯然缺少一些東西。質子是自然界中唯一穩定的複合構建塊。因此，如果我們在那裡缺少一些基本的東西而不找出來，它對所有的物理學研究都有影響或後果，”Sparveris說。
物理學家們表示，下一步是進一步弄清這一異常現象的細節，並進行精密探測，以檢查其他的偏差點，並提供更多關於異常現象來源的信息。
李說：”我們希望在不同的能量下測量更多的點，以呈現更清晰的畫面，看看那裡是否有進一步的結構。”
Sparveris對此表示同意：”我們還需要精確測量這個增強的形狀。他說：”形狀對於進一步闡明理論是很重要的。”