原子核由质子和中子组成，质子和中子是通过胶子结合的夸克相互作用而存在的粒子。因此，仅使用夸克和胶子来重现迄今在核实验中观察到的原子核的所有性质似乎并不困难。然而直到现在，物理学家，包括克拉科夫波兰科学院核物理研究所的物理学家，才成功做到了这一点。

夸克和胶子第一次被用来描述原子核的性质，迄今为止，原子核的性质都是通过质子和中子的存在来解释的。临时相关核子对以紫色突出显示。图片来源：IFJ PAN

　　自从发现原子核的主要成分：质子和中子以来已经近一个世纪了。最初，新粒子被认为是不可分割的。然而，在 20 世纪 60 年代，有人提出，在足够高的能量下，质子和中子将揭示它们的内部结构——由胶子不断结合在一起的夸克的存在。

　　不久之后，夸克的存在被实验证实。因此，令人惊讶的是，尽管已经过去了几十年，但没有人能够用夸克-胶子模型重现低能核实验的结果，当时原子核中只能看到质子和中子。

　　这一长期存在的僵局直到现在才被打破，发表在《物理评论快报》上的一篇论文。其主要作者是夸克-胶子分布国际 nCTEQ 合作组织的科学家，其中包括来自克拉科夫波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 的科学家。

　　“到目前为止，对原子核有两种平行的描述，一种是基于质子和中子，我们可以在低能量下看到它们，另一种是基于夸克和胶子的高能描述。在我们的工作中，我们成功地提出了迄今为止，这两个世界是分开的。”参与这项研究的 IFJ PAN 三位理论家之一 Aleksander Kusina 博士说道。

　　人类之所以能看到周围的环境，是因为他们使用先天的探测器(眼睛)来记录先前与构成我们环境的物体的原子和分子相互作用的散射光子。物理学家以类似的方式获得原子核的知识：他们将原子核与较小的粒子碰撞，并仔细分析碰撞的结果。

　　然而，出于实际原因，它们使用的不是电中性光子，而是带有电荷(通常是电子)的基本粒子。实验表明，当电子具有相对较低的能量时，原子核的行为就好像它们是由核子(即质子和中子)组成的，而在高能量下，部分子(即夸克和胶子)在原子核内部是“可见的”。

　　使用模型很好地再现了原子核与电子碰撞的结果，假设仅存在核子来描述低能碰撞，仅存在部分子来描述高能碰撞。然而，到目前为止，这两种描述还未能结合成一个连贯的画面。

　　在他们的工作中，IFJ PAN 的物理学家使用了高能碰撞数据，包括在日内瓦欧洲核子研究组织 (CERN) 实验室大型强子对撞机加速器收集的数据。主要目标是研究高能原子核的部分子结构，目前由部分子分布函数(PDF)描述。

　　这些函数用于绘制夸克和胶子在质子和中子内部以及整个原子核中的分布情况。利用原子核的 PDF 函数，可以确定实验上可测量的参数，例如电子或质子与原子核碰撞时产生特定粒子的概率。

　　从理论角度来看，本文提出的创新本质是部分子分布函数的巧妙扩展，其灵感来自于那些用于描述低能碰撞的核模型，其中假设质子和中子结合成强相互作用对核子：质子-中子、质子-质子和中子-中子。

　　这种新颖的方法使研究人员能够确定所研究的 18 个原子核的原子核中的部分子分布函数、相关核子对中的部分子分布，甚至是此类相关核子对的数量。

　　结果证实了从低能实验中已知的观察结果，即大多数相关对是质子-中子对(这个结果对于重核，例如金或铅特别有趣)。本文提出的方法的另一个优点是，与用于确定原子核中部分子分布的传统方法相比，它可以更好地描述实验数据。

　　“在我们的模型中，我们进行了改进来模拟某些核子配对的现象。这是因为我们认识到这种效应也可能与部分子水平相关。有趣的是，这允许理论描述的概念简化，这应该未来使我们能够更精确地研究单个原子核的部分子分布，”Kusina 博士解释道。

　　理论预测与实验数据之间的一致性意味着，使用帕顿模型和来自高能区的数据，首次有可能重现原子核的行为，迄今为止仅通过核子描述和低能区数据来解释-能量碰撞。上述研究的结果为更好地理解原子核的结构、统一其高能和低能方面开辟了新的视角。