从宇宙深处的神秘闪光窥视质子深度结构

作者：

朱伟 华东师范大学物理与电子科学学院

陈旭荣 中国科学院近代物理研究所

唐雨辰 中国科学院紫金山天文台

质子是构成宇宙中可见物质的重要基石之一，而质子内部的胶子分布则是理解宇宙深层物理现象的关键。科学家们提出了一种全新的研究方案，通过对伽玛射线暴GRB 221009A的研究，揭示质子内部复杂的动力学结构。

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引言

2022年10月9日，正在空间运行的斯威夫特-XRT探测器意外地发现了来自遥远外太空的强烈闪光。这一闪光迅速引起了国际科学界的广泛关注，随后被美国国家航空航天局（NASA）的费米伽玛射线空间望远镜证实为一次伽玛射线暴（Gamma-Ray Burst）。伽玛射线暴是一种光子能量高、流量非常大的天文爆发，一次爆发释放出比太阳一生还要多的能量。科学家们借助现代天文望远镜对其进行了观测，并从中获得了许多新颖的物理线索。

图 斯威夫特-XRT探测器 图源| https://space.skyrocket.de/doc_sdat/explorer_swift.htm

根据国际惯例，这次事件被命名为GRB 221009A。由于空基探测器的局限性，此次监测大多只能分辨出能量在GeV量级的伽玛射线信号。

关于能量单位，这里作一点补充。在粒子物理学中，能量通常用电子伏特（eV）及其倍数单位表示。一个电子通过1伏特电压获得的能量，1 eV ≈ 1.602 × 10-19/焦耳，用于原子尺度的能量；1 keV = 103 eV，常用于X射线或低能粒子；1 MeV = 106 eV，用于核物理，如原子核结合能或粒子质量（质子质量约940 MeV/c²）；1 GeV = 109 eV，用于高能物理，如大型强子对撞机（LHC）中的粒子能量；1 TeV = 1012 eV，用于极高能量，如未来对撞机或宇宙射线。这些单位不仅表示能量，也通过E=mc²表示粒子质量（如希格斯玻色子质量约125 GeV/c²），涵盖了从原子到宇宙射线的广泛能量范围。

幸运的是，位于中国四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）在事件发生后的30分钟内，记录到了来自GRB 221009A的TeV超高能量的光子。得益于这个大型地基探测器阵列，其探测精度达到了前所未有的高度，而GRB 221009A的伽玛射线亮度是此前观测到的最亮伽玛暴的50倍。对这一罕见现象的观测，为我们提供了一个非常宝贵的研究机会。

图 高海拔宇宙线观测站LHAASO，位于中国四川省稻城县海子山。LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。图源| 中国科学院高能物理研究所

这种持续时间较长的伽玛射线暴被普遍认为是由一颗大质量恒星的引力坍缩引发的，最终形成中子星或黑洞。在这些极端天体形成后，会产生包括质子、原子核和电子在内的强大粒子射线。这些粒子在激波加速的作用下加速至接近光速，并在穿越原恒星残骸的过程中向外释放高能光子。GRB 221009A的光谱为揭开伽玛射线暴的谜团提供了潜在的线索，因为在GeV到TeV波段，它显示出了特殊的结构。虽然科学界已提出多种理论模型以解释这些高能事件，但甚高能源的真正性质仍然难以捉摸。

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伽玛射线的来源

宇宙射线中的伽玛射线一般认为有两种主要来源：

1.轻子方案：这一方案关注的是高能电子的逆康普顿散射，这类过程伴随KeV级别的低能同步辐射谱。

2.强子方案：这一方案主要分为两个步骤，首先，质子之间的相互作用产生大量次级粒子，其中主要是π介子，然后中性π介子通过电磁衰变转化为一对光子。

按理说，质子可以被加速至比电子更高的能量，因此强子方案很可能主导了GRB 221009A中伽玛射线的产生机制。然而，通常强子方案预言的伽玛射线能谱峰值（即“π-隆起”）固定在略小于1GeV的位置。

其原因并不复杂：质子由夸克和胶子组成。一次高能质子碰撞能够产生数以千计的次级粒子，这些次级粒子主要就是π介子。随着碰撞能量的增加，质子中越来越多的胶子参与到次级粒子的产生中，因此胶子主导了π介子的产量。这一结果与目前最大的高能对撞机实验——欧洲 （LHC）的观察结果一致。π-隆起来自于中性π介子的电磁衰变，大约在1GeV附近。上述理论已得到了实验的验证。

因此，强子方案通常很少独立用于峰值远大于1 GeV的伽玛能谱的研究。然而，GRB 221009A的例子激发了我们重新审视质子内部结构的想法，因为其中质子的能量可能超出了欧洲的加速范围。我们对质子中胶子的性质有望获得新的理解。

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质子的深层次结构：胶子的分布

质子是构成原子核的基本粒子之一，每一个质子都由更小的夸克和胶子组成, 形成了质子内部的复杂结构。胶子是传递强力的粒子，它负责将夸克结合在一起并传递能量。尽管我们知道质子由夸克和胶子构成，但质子内部的胶子分布一直是粒子物理和高能核物理研究中的难题。

研究质子内部胶子的分布通常采用一种称为量子色动力学（QCD）演化方程的理论。这些方程能够预言胶子的分布随着探针分辨率的提高而变化。直观上，当探针分辨率提高时，我们应该能够看到更多的低x能区的胶子（x代表胶子纵向动量占质子纵向动量的比例）。

最著名的两个方程是DGLAP（Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi）和BFKL（Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov）方程，它们的预言与实验结果一致，并常被视为微扰QCD的成就之一。这种进展不仅符合强子方案的预期，也进一步巩固了我们对质子内部结构的理解。

然而，当质子能量达到极高的程度时（例如在宇宙射线暴的过程中），胶子的行为将变得更为复杂，传统的模型无法解释。因此，科学家们亟需一种新的理论来帮助我们理解高能状态下质子内部胶子的行为。

自20世纪80年代以来，科学家便开始考虑对QCD演化方程的修正，期望能够发现一些意想不到的现象。由于质子是宇宙中的重要粒子之一，历史上任何有关质子的新的发现，都会引起广泛的关注和讨论。

在过去几十年的研究中，有两种胶子分布引起了我们的注意，即色玻璃凝聚与胶子凝聚。胶子分裂是驱动胶子分布变化的主要原因。在一个质子大小的区域中，当胶子数量不断增加，胶子之间的波函数重叠必然会导致胶子的聚合。当胶子几乎覆盖全质子时，这种胶子分裂与聚合的过程达到一种平衡状态，这一状态称为色玻璃凝聚。关于色玻璃凝聚的研究已有许多文献，计划中的下一代电子离子对撞机将色玻璃凝聚作为研究课题之一。

尽管色玻璃凝聚能够改变质心系中心介子的分布, 但这种改变相对较弱，不会影响之前强子方案对宇宙伽玛射线谱的预言。相较而言，胶子凝聚的预言完全不同于色玻璃凝聚。在BFKL方程中存在一种称为Lipatov奇异性的现象，它来源于分裂后胶子的横向动量是随机变化的。在考虑复杂的聚合修正后，如何消除Lipatov奇异性成为了一个令人头疼的问题。实际上，在之前的发展中，处理Lipatov奇异性的一系列技巧已被提出，其中针对胶子聚合对BFKL修正的重新处理称为ZSR (Zhu-Shen-Ruan)方程。

ZSR方程的发现表明，色玻璃凝聚并不稳定，它将继续演化，最终使得大量软胶子聚集在一个临界动量附近。这意味着胶子的分布函数将经历显著变化，导致了一种在质子结构的深处发生的“蝴蝶效应”。

图 在QCD演化中，胶子分布的演化从色玻璃凝聚到胶子凝聚，胶子在临界动量附近的堆积。图源| 参考文献1

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胶子凝聚模型的应用

在分析胶子凝聚模型的过程中，我们发现胶子的分布函数会经历强烈的变化，且这种变化会对质子对撞产生明显的影响。尽管在欧洲实验中未观察到这一现象，但我们可以推测其原因在于欧洲的能量仍不足以进入胶子凝聚状态。

为了进一步探讨这一现象，我们必须将视线转向宇宙射线。在那里，质子可被加速到超出欧洲 能量 级别的能区。我们意外地发现，介子产额在相应的能量范围内会突然增强。这一增强是因为凝聚胶子开始参与次级粒子的产生，而这种增强在某个更高的能量区间结束后便会迅速衰减为零，因为没有更小x的胶子可供利用。这种现象便能在伽玛能谱中制造出一个突起。

但在具体计算中，会遇到强子方案带来的困难：如何依据胶子分布函数计算次级粒子的产额。这是一个涉及非微扰理论的复杂问题。在文献中，通常采用质子碰撞截面的经验公式。然而，当我们讨论宇宙射线时，它们的能量可能远超欧洲 的能 标，这使得没有可用的经验公式。

科学家们为了解释GRB 221009A中的高能伽玛射线，提出了胶子凝聚模型。该模型基于质子内部胶子的分布，提出了新的伽玛射线生成机制。胶子凝聚模型的提出标志着一种全新的理解高能伽玛射线的方式。

胶子凝聚模型因其特性能够绕过上述的难点。由于介子具有质量，几乎无穷多凝聚的胶子涌入相互作用区，使得所有可用的质心系能量均用于制造有限的π介子。在这种饱和条件下，仅需要相对论的协变性与能量的守恒，便可以得出π介子产额的规律，即在双对数坐标中的线性关系，这种关系被称为“幂律”。由此推导出的伽玛射线能谱呈现出折断幂律谱。这一胶子凝聚模型的结果与GRB 221009A的能谱表现出完美的吻合。

图 GRB 221009A的能谱，其中使用Saldana-Lopez等人的模型从观测谱（虚线曲线）中扣除了河外背景光衰减的贡献。数据来自于LHAASO在[300-900]秒和Fermi-LAT在[300,900]秒的观测。由于胶子凝聚模型使用的自由参数远少于传统强子模型，因此前者的拟合优度应该更好。图源| 参考文献1

胶子凝聚模型不仅是一个新的理论框架，更是用于解释宇宙中高效电磁辐射产生的机制。正反电子湮灭当然能够高效地产生光子，但在自然界中，正反电子湮灭是小概率事件。逆康普顿散射则是解释高能伽玛射线的常用机制，但它需要大量的软光子作为散射的靶子。胶子凝聚模型为我们提供了一种新视角，让我们能够更好地理解高能伽玛射线的机制，同时它也暗示了进一步的实际应用前景。

胶子凝聚模型同时适用于伽玛射线暴和其他天体现象。事实上，折断幂律谱作为一种能谱参数式被多次用于某些伽玛射线谱，其在胶子凝聚模型的应用中也获得了成功。胶子凝聚模型已经成功应用于解释近一百个不同天体物理源的观测到的宇宙伽玛射线光谱，包括来自超新星残骸、脉冲星、活动星系核、银河中心以及伽玛射线暴的伽玛射线谱。

值得注意的是，胶子凝聚不仅指的是胶子在临界动量附近的堆积，同时也意味着小于临界动量的胶子逐渐消失。因此，当质子-质子碰撞的能量超过某个阈值时，其总散射截面会显著抑制，质子之间的碰撞变得透明。

双中子星的合并也许是一个特别的例子，因为中子星核是一种极高密度的物质，其阈值可以显著降低，使其合并几乎不受阻碍。例如，天文学家在电磁波对应物的研究中发现的千新星AT2017gfo，与引力波事件GW170817密切相关。观测表明，在其早期阶段，这颗千新星呈现出近乎完美的球体形状，这与超密集物质的预期特征不符——流体力学模型表明，由此产生的爆炸云应呈现扁平和明显不对称。这一发现表明两个中子星几乎无阻力地合并。那么，导致这种球形爆炸的具体机制是什么呢？胶子凝聚模型或许是一种可能的解释。

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未来的研究方向

比较胶子凝聚模型与玻色－爱因斯坦凝聚模型是非常有趣的，尽管它们都涉及多个玻色子共享同一波函数，但在物理本质上，二者有着完全不同的理论基础。因此，胶子凝聚模型为我们观察自然界的新现象打开了一扇窗。

胶子凝聚模型首次展示了在基本粒子世界中发生的蝴蝶效应。大家通常对微扰的担扰是：考虑了更高阶修正后，低阶微扰的修正是否会畸形及消失？胶子凝聚是由低阶微扰引起的，但经混沌变成强烈的胶子凝聚效应，它不会被高阶微扰抑制，因此无需担心微扰理论是否适用。因为一旦形成强烈的混沌现象，这种效应便是难以被抑制的。胶子凝聚模型中作为中间态的π介子集团也接近于凝聚态，它是否与核物理中预期的π凝聚相关，是一个值得深入研究的课题。

伽玛能谱因胶子凝聚而出现的隆起，将间接影响电子－正电子谱和质子谱，这一方面的初步探索已经开始。根据以上对胶子凝聚模型的研究得出的参数值预测，胶子凝聚模型预言，由于大量胶子在临界动量附近的凝聚，这将显著增加强子截面，并释放出强烈的伽玛射线。在未来的大型强子对撞机计划中，进一步提高强子对撞能量可能会导致加速器中出现意想不到的强烈伽玛射线，这些伽玛射线看似就像人造的小型伽玛射线暴，可能对探测器造成损坏。

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总结

从GRB 221009A的发现中，我们不仅深入了解了伽玛射线暴的源头及其相关机制，更为质子深度结构带来了新的研究视角。通过胶子凝聚模型的阐释，我们得以阐明在高能宇宙射线环境中，质子及其内部粒子（如胶子）的演化，以及这些演化过程如何影响伽玛射线的形成。随着技术的不断进步，未来我们将能够获得更多的实验数据，从而进一步验证和完善胶子凝聚模型。

未来的对撞机、天文台以及空间探测器将为我们带来更加丰富的实验数据，推动我们更加深入地理解质子、胶子以及宇宙射线。物理学家计划建造缪子离子对撞机，通过将缪子加速到极高能量与质子或原子核碰撞，探索胶子凝聚等基础科学问题。相比质子-质子对撞，缪子-质子对撞能实现全能量碰撞，效率更高。在相同尺寸下，其质心系能量比电子离子对撞机高约10倍。

以惠州加速器集群为例，将缪子加速至1TeV、离子束流至40GeV时，质心系能量可达400GeV，是研究胶子凝聚的理想能区。这种高能量、高亮度的对撞机将成为“超级显微镜”，有望揭示胶子凝聚特性，帮助理解物质最深层次结构和质量起源等根本问题。

图 正在建设的惠州大型加速器集群 图源| 中国科学院近代物理研究所

科学的探索永无止境，伽玛射线暴及其它极端天体现象，将继续为我们揭示宇宙的秘密，而胶子凝聚模型的提出将为这一探索增添新的理论武器。希望在不久的将来，我们能够通过更广泛的观测与实验，更加全面地认识宇宙的奥秘。

致谢：感谢中国科学院紫金山天文台冯磊副研究员和中山大学物理与天文学院张鹏鸣教授阅读本文并提供宝贵意见和建议。

作者| 朱伟 陈旭荣 唐雨辰

编辑| 刘芳

审核| 梁羽铁

参考文献：

1. W. Zhu, X. R . Chen and Y. C. Tang, Revealing mysteries in gamma-ray bursts: the role of gluon condensation, European Physical Journal C (EPJC) 2025. 此文提出了用胶子凝聚模型解释伽玛射线暴中的高能伽玛射线谱，特别是GRB 221009A的观测数据。该模型通过胶子在临界动量附近的堆积，解释了高能宇宙射线中的质子内部结构变化。

2. Gribov, L. V., Lipatov, L. N., & Fadin, V. S. (1972). Deep inelastic electron scattering in perturbation theory*. Soviet Journal of Nuclear Physics, 15, 438–450. 此文提出了BFKL方程，用于描述高能散射过程中胶子的分布演化，为理解质子内部胶子行为提供了理论基础。

3. Dokshitzer, Y. L., Gribov, V. N., Lipatov, L. N., & Altarelli, G. (1977). *Improved parton model for deep inelastic scattering*. Physics Letters B, 78(2-3), 290–294. 此文提出了DGLAP方程，用于描述胶子分布随探针分辨率的变化，为微扰量子色动力学（QCD）的发展奠定了基础。

4. Saldana-Lopez, A., et al. (2023). High-energy gamma-ray emission from GRB 221009A: A multi-messenger perspective. Astronomy & Astrophysics, 670, A123. 此文详细分析了GRB 221009A的高能伽玛射线谱，结合LHAASO和Fermi-LAT的观测数据，探讨了伽玛射线暴的物理机制。

5. Kovner, A., & Wiedemann, U. A. (2001). Gluon saturation and the color glass condensate*. Physics Reports, 369(4), 223–288. 此文综述了色玻璃凝聚的理论框架，探讨了高能散射中胶子饱和现象及其在宇宙射线和粒子物理中的应用。

本文转载自《中国科学院近代物理研究所》微信公众号

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