20世纪中期的物理学发现了质子共振，但对共振质子的三维结构的理解仍然有限。杰斐逊实验室最近的实验探索了这些结构，提供了对早期宇宙和基本粒子(如由夸克和胶子组成的核子)的见解。

　　在20世纪中期，科学家们发现质子有共振的能力，类似于钟的振动。在随后的30年里，进步导致了质子的3D图像和对其基态结构的重要洞察。然而，关于共振质子的三维结构的知识仍然有限。

　　最近在美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的一项实验深入研究了质子和中子共振的三维结构。这项研究为大爆炸后存在的混乱的新生宇宙的广阔图景提供了另一块拼图。

　　研究核子的基本性质和行为提供了对物质基本组成部分的重要见解。核子是构成原子核的质子和中子。每个核子由三个夸克组成，通过强相互作用——自然界中最强的力——胶子紧密结合在一起。

　　核子最稳定、能量最低的状态称为它的基态。但是，当一个核子被强制激发到一个高能态时，它的夸克就会相互旋转和振动，表现出所谓的核子共振。

　　来自德国吉森李比希大学(JLU)和康涅狄格大学的一组物理学家领导了CLAS合作项目，进行了一项探索这些核子共振的实验。实验是在杰弗逊实验室世界级的连续电子束加速器设备(CEBAF)上进行的。CEBAF是美国能源部科学办公室的用户设施，为全球1800多名核物理学家的研究提供支持。这项研究的结果最近发表在著名的同行评议杂志《物理评论快报》上。

　　分析负责人斯特凡·迪尔说，研究小组的工作揭示了核子共振的基本特性。Diehl是JLU Giessen第二物理研究所的博士后研究员和项目负责人，也是康涅狄格大学的研究教授。他说，这项工作也激发了对共振质子三维结构和激发过程的新研究。

　　Diehl说:“这是我们第一次对这种激发态的三维特征进行敏感的测量和观察。”“原则上，这只是一个开始，这种测量方法正在开辟一个新的研究领域。”

　　物质如何形成的奥秘

　　该实验于2018-2019年在实验B馆使用杰斐逊实验室的CLAS12探测器进行。一个高能电子束被送入一个装有冷却氢气的房间。电子撞击目标的质子，激发内部的夸克，并产生核子共振，并结合夸克-反夸克状态，即所谓的介子。

　　这些激发是短暂的，但它们留下了它们存在的证据，它们以新粒子的形式存在，这些新粒子是由被激发粒子的能量消耗而成的。这些新粒子的寿命足够长，探测器可以捕捉到它们，因此研究小组可以重建共振。

　　Diehl和其他人最近在意大利特伦托举行的“探索过渡gpd的共振结构”联合研讨会上讨论了他们的研究结果。这项研究已经激励了两个理论小组发表了有关这项工作的论文。

　　该团队还计划在杰斐逊实验室使用不同的目标和极化进行更多的实验。通过散射来自极化质子的电子，它们可以获得散射过程的不同特征。此外，对类似过程的研究，如与高能光子结合产生共振，可以提供进一步的重要信息。

　　迪尔说，通过这样的实验，物理学家可以梳理出大爆炸后早期宇宙的特性。

　　迪尔说:“一开始，早期的宇宙只有一些由夸克和胶子组成的等离子体，由于能量很高，它们都在旋转。”“然后，在某个时刻，物质开始形成，首先形成的是激发态的核子。当宇宙进一步膨胀时，它冷却下来，基态核子显现出来。

　　“通过这些研究，我们可以了解这些共振的特征。这将告诉我们宇宙中物质是如何形成的，以及宇宙为什么以现在的形式存在。”

　　参考文献:S. Diehl et al. (CLAS Collaboration)的“硬独占π?Δ++质子电生产束自旋不对称性的首次测量”，2023年7月11日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.021901

　　Diehl出生于德国的Lich，他将物理学作为理解自然现象和世界本质的一种手段。他在吉森大学获得学士、硕士和博士学位。他是CLAS, PANDA, ePIC和COMPASS合作组织的成员，并共同撰写了70多篇同行评审的出版物。

　　这项研究是由美国能源部资助的。