奥林巴斯实验揭示了质子的结构

由于麻省理工学院研究人员领导的为期七年的实验，关于质子结构的一个谜​​团更接近于解决。

多年来，研究人员通过用电子轰击它们并检测不同角度的散射电子强度，探测了质子的结构 - 带正电荷的亚原子粒子。

以这种方式，他们试图确定质子的电荷和磁化如何分布。这些实验以前曾使研究人员认为电荷和磁电荷的分布是相同的，当质子与轰击电子相互作用时，一个光子 - 光的基本粒子 - 就会被交换。

然而，在21世纪初，研究人员开始使用偏振电子束进行实验，偏振电子束利用质子和电子的自旋来测量电子 - 质子弹性散射。这些实验表明，电子与磁性电荷分布的比例随电子与质子之间的高能相互作用而急剧下降。

这导致了这样的理论：在相互作用期间有时不会交换一个而是两个光子，导致不均匀的电荷分布。更重要的是，该理论预测这两种粒子都是所谓的“硬”或高能光子。

为了确定这种“双光子交换”，由麻省理工学院核科学实验室的研究人员领导的一个国际小组在汉堡的德国电子同步加速器(DESY)进行了为期七年的实验，称为奥林巴斯。

在本周发表在“ 物理评论快报 ”杂志上的一篇论文中，研究人员揭示了这个实验的结果，这表明在电子 - 质子相互作用过程中确实交换了两个光子。

然而，与理论预测不同，对OLYMPUS测量的分析表明，大多数时候，只有一个光子具有高能量，而另一个必须携带非常少的能量，物理学教授兼成员Richard Milner表示负责该实验的核科学实验室的Hadronic Physics Group。

米尔纳说：“我们几乎没有看到很难进行硬双光子交换的证据。”

在21世纪后期提出实验的想法，该小组在2010年获得了资助。

研究人员不得不拆解前BLAST光谱仪 - 一台位于麻省理工学院的复杂的125立方米大小的探测器 - 并将其运送到德国，并在那里通过一些改进进行了重新组装。然后他们在2012年进行了三个月的实验，之后实验室的粒子加速器本身退役并在该年年底关闭。

根据道格拉斯·哈塞尔(Douglas Hasell)的说法，该实验与美国和俄罗斯的其他两个实验同时进行，包括用带负电的电子和带正电的正电子轰击质子，并比较两种相互作用之间的差异。麻省理工学院核科学实验室和Hadronic Physics Group的研究科学家，以及该论文的另一位作者。

Hasell说，根据质子是否被电子或正电子散射，这个过程将产生一种微妙的不同测量。“如果你看到差异(在测量中)，则表明存在重要的双光子效应。”

Hasell说，碰撞运行了三个月，结果数据再花了三年时间进行分析。

Hasell说，理论和实验结果之间的差异意味着未来可能需要进行进一步的实验，甚至更高的能量，双光子交换效应预计会更大。

然而，可能难以达到OLYMPUS实验中达到的相同精度水平。

“我们进行了三个月的实验，并进行了非常精确的测量，”他说。“除非可以改善(实验的)性能，否则你必须运行多年以获得相同的精确度。”

Hasell说，在不久的将来，研究人员计划在决定下一步之前，先看看理论物理学界如何对数据作出反应。

“可能是他们可以对理论模型中的细节进行微调，以使其全部达成一致，并解释更高和更低能量的数据，”他说。

“然后由实验主义者来检查是否存在这种情况。”