作者：

朱偉 華東師范大學物理與電子科學學院

陳旭榮 中國科學院近代物理研究所

唐雨辰 中國科學院紫金山天文臺

質子是構成宇宙中可見物質的重要基石之一，而質子內部的膠子分布則是理解宇宙深層物理現象的關鍵。科學家們提出了一種全新的研究方案，通過對伽瑪射線暴GRB 221009A的研究，揭示質子內部復雜的動力學結構。

01

引言

2022年10月9日，正在空間運行的斯威夫特-XRT探測器意外地發現了來自遙遠外太空的強烈閃光。這一閃光迅速引起了國際科學界的廣泛關注，隨后被美國國家航空航天局（NASA）的費米伽瑪射線空間望遠鏡證實為一次伽瑪射線暴（Gamma-Ray Burst）。伽瑪射線暴是一種光子能量高、流量非常大的天文爆發，一次爆發釋放出比太陽一生還要多的能量。科學家們借助現代天文望遠鏡對其進行了觀測，并從中獲得了許多新穎的物理線索。

圖 斯威夫特-XRT探測器 圖源| https://space.skyrocket.de/doc_sdat/explorer_swift.htm

根據國際慣例，這次事件被命名為GRB 221009A。由于空基探測器的局限性，此次監測大多只能分辨出能量在GeV量級的伽瑪射線信號。

關于能量單位，這里作一點補充。在粒子物理學中，能量通常用電子伏特（eV）及其倍數單位表示。一個電子通過1伏特電壓獲得的能量，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射線或低能粒子；1 MeV = 106 eV，用于核物理，如原子核結合能或粒子質量（質子質量約940 MeV/c2）；1 GeV = 109 eV，用于高能物理，如大型強子對撞機（LHC）中的粒子能量；1 TeV = 1012 eV，用于極高能量，如未來對撞機或宇宙射線。這些單位不僅表示能量，也通過E=mc2表示粒子質量（如希格斯玻色子質量約125 GeV/c2），涵蓋了從原子到宇宙射線的廣泛能量范圍。

幸運的是，位于中國四川省稻城縣海子山的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）在事件發生后的30分鐘內，記錄到了來自GRB 221009A的TeV超高能量的光子。得益于這個大型地基探測器陣列，其探測精度達到了前所未有的高度，而GRB 221009A的伽瑪射線亮度是此前觀測到的最亮伽瑪暴的50倍。對這一罕見現象的觀測，為我們提供了一個非常寶貴的研究機會。

圖 高海拔宇宙線觀測站LHAASO，位于中國四川省稻城縣海子山。LHAASO的核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究。圖源| 中國科學院高能物理研究所

這種持續時間較長的伽瑪射線暴被普遍認為是由一顆大質量恒星的引力坍縮引發的，最終形成中子星或黑洞。在這些極端天體形成后，會產生包括質子、原子核和電子在內的強大粒子射線。這些粒子在激波加速的作用下加速至接近光速，并在穿越原恒星殘骸的過程中向外釋放高能光子。GRB 221009A的光譜為揭開伽瑪射線暴的謎團提供了潛在的線索，因為在GeV到TeV波段，它顯示出了特殊的結構。雖然科學界已提出多種理論模型以解釋這些高能事件，但甚高能源的真正性質仍然難以捉摸。

02

伽瑪射線的來源

宇宙射線中的伽瑪射線一般認為有兩種主要來源：

1.輕子方案：這一方案關注的是高能電子的逆康普頓散射，這類過程伴隨KeV級別的低能同步輻射譜。

2.強子方案：這一方案主要分為兩個步驟，首先，質子之間的相互作用產生大量次級粒子，其中主要是π介子，然后中性π介子通過電磁衰變轉化為一對光子。

按理說，質子可以被加速至比電子更高的能量，因此強子方案很可能主導了GRB 221009A中伽瑪射線的產生機制。然而，通常強子方案預言的伽瑪射線能譜峰值（即“π-隆起”）固定在略小于1GeV的位置。

其原因并不復雜：質子由夸克和膠子組成。一次高能質子碰撞能夠產生數以千計的次級粒子，這些次級粒子主要就是π介子。隨著碰撞能量的增加，質子中越來越多的膠子參與到次級粒子的產生中，因此膠子主導了π介子的產量。這一結果與目前最大的高能對撞機實驗——歐洲 （LHC）的觀察結果一致。π-隆起來自于中性π介子的電磁衰變，大約在1GeV附近。上述理論已得到了實驗的驗證。

因此，強子方案通常很少獨立用于峰值遠大于1 GeV的伽瑪能譜的研究。然而，GRB 221009A的例子激發了我們重新審視質子內部結構的想法，因為其中質子的能量可能超出了歐洲的加速范圍。我們對質子中膠子的性質有望獲得新的理解。

03

質子的深層次結構：膠子的分布

質子是構成原子核的基本粒子之一，每一個質子都由更小的夸克和膠子組成, 形成了質子內部的復雜結構。膠子是傳遞強力的粒子，它負責將夸克結合在一起并傳遞能量。盡管我們知道質子由夸克和膠子構成，但質子內部的膠子分布一直是粒子物理和高能核物理研究中的難題。

研究質子內部膠子的分布通常采用一種稱為量子色動力學（QCD）演化方程的理論。這些方程能夠預言膠子的分布隨著探針分辨率的提高而變化。直觀上，當探針分辨率提高時，我們應該能夠看到更多的低x能區的膠子（x代表膠子縱向動量占質子縱向動量的比例）。

最著名的兩個方程是DGLAP（Dokshitzer-Gribov-Lipatov-Altarelli-Parisi）和BFKL（Balitsky-Fadin-Kuraev-Lipatov）方程，它們的預言與實驗結果一致，并常被視為微擾QCD的成就之一。這種進展不僅符合強子方案的預期，也進一步鞏固了我們對質子內部結構的理解。

然而，當質子能量達到極高的程度時（例如在宇宙射線暴的過程中），膠子的行為將變得更為復雜，傳統的模型無法解釋。因此，科學家們亟需一種新的理論來幫助我們理解高能狀態下質子內部膠子的行為。

自20世紀80年代以來，科學家便開始考慮對QCD演化方程的修正，期望能夠發現一些意想不到的現象。由于質子是宇宙中的重要粒子之一，歷史上任何有關質子的新的發現，都會引起廣泛的關注和討論。

在過去幾十年的研究中，有兩種膠子分布引起了我們的注意，即色玻璃凝聚與膠子凝聚。膠子分裂是驅動膠子分布變化的主要原因。在一個質子大小的區域中，當膠子數量不斷增加，膠子之間的波函數重疊必然會導致膠子的聚合。當膠子幾乎覆蓋全質子時，這種膠子分裂與聚合的過程達到一種平衡狀態，這一狀態稱為色玻璃凝聚。關于色玻璃凝聚的研究已有許多文獻，計劃中的下一代電子離子對撞機將色玻璃凝聚作為研究課題之一。

盡管色玻璃凝聚能夠改變質心系中心介子的分布, 但這種改變相對較弱，不會影響之前強子方案對宇宙伽瑪射線譜的預言。相較而言，膠子凝聚的預言完全不同于色玻璃凝聚。在BFKL方程中存在一種稱為Lipatov奇異性的現象，它來源于分裂后膠子的橫向動量是隨機變化的。在考慮復雜的聚合修正后，如何消除Lipatov奇異性成為了一個令人頭疼的問題。實際上，在之前的發展中，處理Lipatov奇異性的一系列技巧已被提出，其中針對膠子聚合對BFKL修正的重新處理稱為ZSR (Zhu-Shen-Ruan)方程。

ZSR方程的發現表明，色玻璃凝聚并不穩定，它將繼續演化，最終使得大量軟膠子聚集在一個臨界動量附近。這意味著膠子的分布函數將經歷顯著變化，導致了一種在質子結構的深處發生的“蝴蝶效應”。

圖 在QCD演化中，膠子分布的演化從色玻璃凝聚到膠子凝聚，膠子在臨界動量附近的堆積。圖源| 參考文獻1

0444

膠子凝聚模型的應用

在分析膠子凝聚模型的過程中，我們發現膠子的分布函數會經歷強烈的變化，且這種變化會對質子對撞產生明顯的影響。盡管在歐洲實驗中未觀察到這一現象，但我們可以推測其原因在于歐洲的能量仍不足以進入膠子凝聚狀態。

為了進一步探討這一現象，我們必須將視線轉向宇宙射線。在那里，質子可被加速到超出歐洲 能量 級別的能區。我們意外地發現，介子產額在相應的能量范圍內會突然增強。這一增強是因為凝聚膠子開始參與次級粒子的產生，而這種增強在某個更高的能量區間結束后便會迅速衰減為零，因為沒有更小x的膠子可供利用。這種現象便能在伽瑪能譜中制造出一個突起。

但在具體計算中，會遇到強子方案帶來的困難：如何依據膠子分布函數計算次級粒子的產額。這是一個涉及非微擾理論的復雜問題。在文獻中，通常采用質子碰撞截面的經驗公式。然而，當我們討論宇宙射線時，它們的能量可能遠超歐洲 的能 標，這使得沒有可用的經驗公式。

科學家們為了解釋GRB 221009A中的高能伽瑪射線，提出了膠子凝聚模型。該模型基于質子內部膠子的分布，提出了新的伽瑪射線生成機制。膠子凝聚模型的提出標志著一種全新的理解高能伽瑪射線的方式。

膠子凝聚模型因其特性能夠繞過上述的難點。由于介子具有質量，幾乎無窮多凝聚的膠子涌入相互作用區，使得所有可用的質心系能量均用于制造有限的π介子。在這種飽和條件下，僅需要相對論的協變性與能量的守恒，便可以得出π介子產額的規律，即在雙對數坐標中的線性關系，這種關系被稱為“冪律”。由此推導出的伽瑪射線能譜呈現出折斷冪律譜。這一膠子凝聚模型的結果與GRB 221009A的能譜表現出完美的吻合。

圖 GRB 221009A的能譜，其中使用Saldana-Lopez等人的模型從觀測譜（虛線曲線）中扣除了河外背景光衰減的貢獻。數據來自于LHAASO在[300-900]秒和Fermi-LAT在[300,900]秒的觀測。由于膠子凝聚模型使用的自由參數遠少于傳統強子模型，因此前者的擬合優度應該更好。圖源| 參考文獻1

膠子凝聚模型不僅是一個新的理論框架，更是用于解釋宇宙中高效電磁輻射產生的機制。正反電子湮滅當然能夠高效地產生光子，但在自然界中，正反電子湮滅是小概率事件。逆康普頓散射則是解釋高能伽瑪射線的常用機制，但它需要大量的軟光子作為散射的靶子。膠子凝聚模型為我們提供了一種新視角，讓我們能夠更好地理解高能伽瑪射線的機制，同時它也暗示了進一步的實際應用前景。

膠子凝聚模型同時適用于伽瑪射線暴和其他天體現象。事實上，折斷冪律譜作為一種能譜參數式被多次用于某些伽瑪射線譜，其在膠子凝聚模型的應用中也獲得了成功。膠子凝聚模型已經成功應用于解釋近一百個不同天體物理源的觀測到的宇宙伽瑪射線光譜，包括來自超新星殘骸、脈沖星、活動星系核、銀河中心以及伽瑪射線暴的伽瑪射線譜。

值得注意的是，膠子凝聚不僅指的是膠子在臨界動量附近的堆積，同時也意味著小于臨界動量的膠子逐漸消失。因此，當質子-質子碰撞的能量超過某個閾值時，其總散射截面會顯著抑制，質子之間的碰撞變得透明。

雙中子星的合并也許是一個特別的例子，因為中子星核是一種極高密度的物質，其閾值可以顯著降低，使其合并幾乎不受阻礙。例如，天文學家在電磁波對應物的研究中發現的千新星AT2017gfo，與引力波事件GW170817密切相關。觀測表明，在其早期階段，這顆千新星呈現出近乎完美的球體形狀，這與超密集物質的預期特征不符——流體力學模型表明，由此產生的爆炸云應呈現扁平和明顯不對稱。這一發現表明兩個中子星幾乎無阻力地合并。那么，導致這種球形爆炸的具體機制是什么呢？膠子凝聚模型或許是一種可能的解釋。

05

未來的研究方向

比較膠子凝聚模型與玻色－愛因斯坦凝聚模型是非常有趣的，盡管它們都涉及多個玻色子共享同一波函數，但在物理本質上，二者有著完全不同的理論基礎。因此，膠子凝聚模型為我們觀察自然界的新現象打開了一扇窗。

膠子凝聚模型首次展示了在基本粒子世界中發生的蝴蝶效應。大家通常對微擾的擔擾是：考慮了更高階修正后，低階微擾的修正是否會畸形及消失？膠子凝聚是由低階微擾引起的，但經混沌變成強烈的膠子凝聚效應，它不會被高階微擾抑制，因此無需擔心微擾理論是否適用。因為一旦形成強烈的混沌現象，這種效應便是難以被抑制的。膠子凝聚模型中作為中間態的π介子集團也接近于凝聚態，它是否與核物理中預期的π凝聚相關，是一個值得深入研究的課題。

伽瑪能譜因膠子凝聚而出現的隆起，將間接影響電子－正電子譜和質子譜，這一方面的初步探索已經開始。根據以上對膠子凝聚模型的研究得出的參數值預測，膠子凝聚模型預言，由于大量膠子在臨界動量附近的凝聚，這將顯著增加強子截面，并釋放出強烈的伽瑪射線。在未來的大型強子對撞機計劃中，進一步提高強子對撞能量可能會導致加速器中出現意想不到的強烈伽瑪射線，這些伽瑪射線看似就像人造的小型伽瑪射線暴，可能對探測器造成損壞。

06

總結

從GRB 221009A的發現中，我們不僅深入了解了伽瑪射線暴的源頭及其相關機制，更為質子深度結構帶來了新的研究視角。通過膠子凝聚模型的闡釋，我們得以闡明在高能宇宙射線環境中，質子及其內部粒子（如膠子）的演化，以及這些演化過程如何影響伽瑪射線的形成。隨著技術的不斷進步，未來我們將能夠獲得更多的實驗數據，從而進一步驗證和完善膠子凝聚模型。

未來的對撞機、天文臺以及空間探測器將為我們帶來更加豐富的實驗數據，推動我們更加深入地理解質子、膠子以及宇宙射線。物理學家計劃建造繆子離子對撞機，通過將繆子加速到極高能量與質子或原子核碰撞，探索膠子凝聚等基礎科學問題。相比質子-質子對撞，繆子-質子對撞能實現全能量碰撞，效率更高。在相同尺寸下，其質心系能量比電子離子對撞機高約10倍。

以惠州加速器集群為例，將繆子加速至1TeV、離子束流至40GeV時，質心系能量可達400GeV，是研究膠子凝聚的理想能區。這種高能量、高亮度的對撞機將成為“超級顯微鏡”，有望揭示膠子凝聚特性，幫助理解物質最深層次結構和質量起源等根本問題。

圖 正在建設的惠州大型加速器集群 圖源| 中國科學院近代物理研究所

科學的探索永無止境，伽瑪射線暴及其它極端天體現象，將繼續為我們揭示宇宙的秘密，而膠子凝聚模型的提出將為這一探索增添新的理論武器。希望在不久的將來，我們能夠通過更廣泛的觀測與實驗，更加全面地認識宇宙的奧秘。

致謝：感謝中國科學院紫金山天文臺馮磊副研究員和中山大學物理與天文學院張鵬鳴教授閱讀本文并提供寶貴意見和建議。

作者| 朱偉 陳旭榮 唐雨辰

編輯| 劉芳

審核| 梁羽鐵

參考文獻：

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. 此文提出了用膠子凝聚模型解釋伽瑪射線暴中的高能伽瑪射線譜，特別是GRB 221009A的觀測數據。該模型通過膠子在臨界動量附近的堆積，解釋了高能宇宙射線中的質子內部結構變化。

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，用于描述高能散射過程中膠子的分布演化，為理解質子內部膠子行為提供了理論基礎。

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，用于描述膠子分布隨探針分辨率的變化，為微擾量子色動力學（QCD）的發展奠定了基礎。

4. Saldana-Lopez, A., et al. (2023). High-energy gamma-ray emission from GRB 221009A: A multi-messenger perspective. Astronomy & Astrophysics, 670, A123. 此文詳細分析了GRB 221009A的高能伽瑪射線譜，結合LHAASO和Fermi-LAT的觀測數據，探討了伽瑪射線暴的物理機制。

5. Kovner, A., & Wiedemann, U. A. (2001). Gluon saturation and the color glass condensate*. Physics Reports, 369(4), 223–288. 此文綜述了色玻璃凝聚的理論框架，探討了高能散射中膠子飽和現象及其在宇宙射線和粒子物理中的應用。

本文轉載自《中國科學院近代物理研究所》微信公眾號

《物理》50年精選文章