上世纪中叶，物理学家发现质子可以产生共振，就像敲响的钟声一样。过去三十年的进步已经产生了质子的3D图片，并对其基态结构有了深入的了解。但人们对共振质子的3D结构知之甚少。

现在，美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施进行的一项探索质子和中子共振3D结构的实验，为大爆炸后混沌新生宇宙的广阔图景增添了又一​​块拼图。

研究核子的基本性质和行为为了解物质的基本组成部分提供了重要的见解。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，这三个夸克通过强相互作用(自然界中最强的力)被胶子紧密地结合在一起。

核子最稳定、能量最低的状态称为基态。但是，当核子被强制激发到更高能量状态时，它的夸克就会旋转并相互振动，从而表现出所谓的核子共振。

来自德国吉森贾斯特斯·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，开展了一项探索这些核子共振的实验。该实验是在杰斐逊实验室世界一流的连续电子束加速器设施(CEBAF)进行的。CEBAF是美国能源部科学办公室的一个用户设施，支持全球1,800多名核物理学家的研究。研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

分析负责人StefanDiehl表示，该团队的工作揭示了核子共振的基本特性。迪尔是吉森大学吉森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，这项工作还激发了对共振质子3D结构和激发过程的新研究。

“这是我们第一次进行一些测量和观察，这些测量和观察对这种激发态的3D特性很敏感，”迪尔说。“原则上，这只是一个开始，这种测量正在开辟一个新的研究领域。”

物质如何形成之谜

该实验于2018-2019年在实验厅B进行，使用杰斐逊实验室的CLAS12探测器。高能电子束被发送到冷却氢气室中。电子撞击目标的质子，激发内部的夸克，并与夸克-反夸克态(即所谓的介子)结合产生核子共振。

激发是短暂的，但它们以新粒子的形式留下了它们存在的证据，这些新粒子是由激发粒子的能量在消散时形成的。这些新粒子的寿命足够长，探测器可以拾取它们，因此研究小组可以重建共振。

Diehl和其他人将于8月21日至25日在意大利特伦托举行的“利用过渡GPD探索共振结构”联合研讨会上讨论他们的结果。这项研究已经激发了两个理论小组发表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偏振进行更多实验。通过使极化质子散射电子，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，例如与高能光子结合产生共振，可以提供更多的重要信息。

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。

“一开始，早期宇宙只有一些由夸克和胶子组成的等离子体，由于能量如此之高，它们都在旋转，”迪尔说。“然后，在某个时刻，物质开始形成，首先形成的是激发核子态。当宇宙进一步膨胀时，它冷却下来，基态核子出现。

“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何以现在的形式存在。”

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