研究人员最近发现，质子有时包括粲夸克和粲反夸克，它们都是比质子本身重的巨大粒子。
Samuel Velasco/广达杂志
在欧内斯特·卢瑟福发现每个原子核心的带正电粒子一个多世纪后，物理学家仍在努力完全理解质子。
高中物理老师将它们描述为无特征的球，每个球带有一个正电荷——对于在它们周围嗡嗡作响的负电荷电子来说，它们是完美的箔片。大学生了解到，球实际上是由三个基本粒子组成的称为夸克的束。但数十年的研究揭示了一个更深层次的真相，一个太离奇而无法用文字或图像完全捕捉的真相。
“这是你能想象到的最复杂的事情，”麻省理工学院的物理学家迈克·威廉姆斯说。 “事实上，你甚至无法想象它有多复杂。”
质子是一种量子力学物体，它以概率的迷雾形式存在，直到实验迫使它采取具体形式。它的形式因研究人员如何设置实验而大不相同。连接粒子的许多面是几代人的工作。 “我们才刚刚开始全面了解这个系统，”麻省理工学院的核物理学家理查德米尔纳说。
随着追求的继续，质子的秘密不断泄露。最近，8 月发表的一项重大数据分析发现，质子中含有比质子本身更重的称为粲夸克的粒子痕迹。
质子“一直让人类感到谦卑，”威廉姆斯说。 “每次你认为自己掌握了它，它就会给你一些曲线球。”
最近，米尔纳与杰斐逊实验室的罗尔夫·恩特、麻省理工学院的电影制作人克里斯·博贝尔和乔·麦克马斯特以及动画师詹姆斯·拉普兰特一起着手将一组神秘的情节转换成一系列形状的动画，这些情节汇集了数百次实验的结果。 -移动质子。我们已经将他们的动画融入到我们自己揭开其秘密的尝试中。
破解打开质子
1967 年，斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 提供了质子包含大量质子的证据。在早期的实验中，研究人员用电子投掷它，看着它们像台球一样弹跳。但 SLAC 可以更有力地投掷电子，研究人员发现它们以不同的方式反弹回来。电子撞击质子的力度足以将其粉碎——这一过程称为深度非弹性散射——并从质子的点状碎片（称为夸克）中反弹。 “这是夸克确实存在的第一个证据，”弗吉尼亚大学的物理学家郑晓超说。
在 SLAC 的发现并于 1990 年获得诺贝尔物理学奖之后，对质子的审查愈演愈烈。迄今为止，物理学家已经进行了数百次散射实验。他们通过调整轰击的力度以及选择在之后收集哪些散射粒子来推断物体内部的各个方面。
通过使用更高能量的电子，物理学家可以找出目标质子的更精细特征。通过这种方式，电子能量决定了深度非弹性散射实验的最大分辨能力。更强大的粒子对撞机提供了更清晰的质子视图。
更高能量的对撞机还产生更广泛的碰撞结果，让研究人员选择不同的输出电子子集进行分析。事实证明，这种灵活性是理解夸克的关键，夸克在质子内部以不同的动量移动。
通过测量每个散射电子的能量和轨迹，研究人员可以判断它是否掠过携带大部分质子总动量的夸克，或者只是一小部分。通过反复碰撞，他们可以进行普查——确定质子的动量是主要集中在几个夸克中，还是分布在许多夸克中。
按照今天的标准，即使是 SLAC 的质子分裂碰撞也是温和的。在这些散射事件中，电子经常以某种方式射出，这表明它们撞击了带有质子总动量三分之一的夸克。这一发现与 Murray Gell-Mann 和 George Zweig 的理论相吻合，后者在 1964 年假设质子由三个夸克组成。
盖尔曼和茨威格的“夸克模型”仍然是想象质子的一种优雅方式。它有两个电荷为 +2/3 的“上”夸克和一个电荷为 -1/3 的“下”夸克，总质子电荷为 +1。
在这个数据驱动的动画中，三个夸克在飞驰。
麻省理工学院/杰斐逊实验室/人造卫星动画
但夸克模型过于简单化，存在严重缺陷。
例如，当涉及到质子的自旋时，它就失败了，这是一种类似于角动量的量子特性。质子有半个自旋单位，它的每个上下夸克也是如此。物理学家最初假设——在与简单电荷算术相呼应的计算中——两个上夸克的半个单位减去下夸克的半个单位必须等于整个质子的半个单位。但在 1988 年，欧洲介子合作组织报告说夸克自旋加起来远不到二分之一。同样，两个上夸克和一个下夸克的质量只占质子总质量的 1%。这些缺陷让物理学家明白了一个道理：质子远不止三个夸克。
远不止三个夸克
1992 年至 2007 年在德国汉堡运行的强子-电子环加速器 (HERA) 将电子撞击质子的力大约是 SLAC 的一千倍。在 HERA 实验中，物理学家可以选择从动量极低的夸克反弹的电子，包括仅携带质子总动量 0.005% 的夸克。他们确实探测到了它们：HERA 的电子从低动量夸克及其反物质对应物反夸克的漩涡中反弹。
许多夸克和反夸克在翻滚的粒子“海”中沸腾。
麻省理工学院/杰斐逊实验室/人造卫星动画
结果证实了一个复杂而古怪的理论，该理论当时取代了盖尔曼和茨威格的夸克模型。它是在 1970 年代发展起来的，是夸克之间作用的“强力”的量子理论。该理论将夸克描述为被称为胶子的载力粒子捆绑在一起。每个夸克和每个胶子都有三种“颜色”电荷中的一种，标记为红色、绿色和蓝色；这些带颜色的粒子自然地相互拉扯并形成一个基团——例如质子——其颜色加起来为中性白色。丰富多彩的理论被称为量子色动力学，或 QCD。
根据 QCD，胶子可以吸收瞬间的能量峰值。有了这种能量，一个胶子分裂成一个夸克和一个反夸克——每个都带有一点点动量——然后这对胶子湮灭并消失。较小的能量尖峰产生具有较低动量的夸克对，它们的寿命较短。正是这种胶子、夸克和反夸克的“海洋”是 HERA 对低动量粒子具有更高灵敏度的第一手探测到的。
赫拉还发现了质子在更强大的对撞机中的样子。当物理学家调整 HERA 以寻找低动量夸克时，这些来自胶子的夸克出现的数量越来越多。结果表明，在更高能量的碰撞中，质子会呈现为几乎完全由胶子组成的云。
麻省理工学院/杰斐逊实验室/人造卫星动画
胶子蒲公英正是 QCD 所预测的。 “HERA 数据是 QCD 描述自然的直接实验证据，”米尔纳说。
但年轻理论的胜利带来了苦果：虽然 QCD 完美地描述了 HERA 极端碰撞揭示的短寿命夸克和胶子的舞蹈，但该理论对于理解 SLAC 温和轰击中看到的三个长寿命夸克毫无用处。
QCD的预测只有在强力相对较弱的情况下才容易理解。只有当夸克非常接近时，强力才会减弱，因为它们是短命的夸克-反夸克对。 Frank Wilczek、David Gross 和 David Politzer 在 1973 年确定了 QCD 的这一决定性特征，并在 31 年后获得了诺贝尔奖。
但是对于像 SLAC 这样的温和碰撞，质子就像三个相互保持距离的夸克，这些夸克之间的拉力足够强，以至于 QCD 计算变得不可能。因此，进一步揭开质子三夸克观点的神秘面纱的任务在很大程度上落到了实验家的肩上。 （在超级计算机上模拟 QCD 预测的“数字实验”的研究人员也做出了重要贡献。）物理学家正是在这张低分辨率图片中不断发现惊喜。
迷人的新视野
最近，由荷兰国家亚原子物理研究所和阿姆斯特丹自由大学的Juan Rojo领导的一个团队分析了过去 50 年拍摄的 5,000 多张质子快照，使用机器学习来推断质子内部夸克和胶子的运动。一种回避理论猜测的方法。
新的审查在过去研究人员逃脱的图像中发现了背景模糊。在相对温和的碰撞中，质子几乎没有打开，大部分动量被锁定在通常的三个夸克中：两个上升和一个下降。但少量动量似乎来自“粲”夸克和粲反夸克——巨大的基本粒子，每个都比整个质子重三分之一以上。
质子有时就像五个夸克的“分子”。
短暂的魅力经常出现在质子的“夸克海”视图中（如果胶子有足够的能量，它们可以分裂成六种不同的夸克类型中的任何一种）。但来自 Rojo 及其同事的结果表明，这些符咒具有更持久的存在，使它们在更温和的碰撞中可以被检测到。在这些碰撞中，质子表现为多种状态的量子混合物或叠加：一个电子通常会遇到三个轻量级夸克。但它偶尔会遇到一个由五个夸克组成的更稀有的“分子”，例如一侧为上夸克、下夸克和粲夸克，另一侧为上夸克和粲夸克。
这种关于质子构成的微妙细节可能会被证明是重要的。在大型强子对撞机上，物理学家通过将高速质子撞击在一起并观察会弹出什么来寻找新的基本粒子；要了解结果，研究人员首先需要知道质子中的成分。偶尔出现的巨大粲夸克会降低制造更多奇异粒子的可能性。
研究人员在 2021 年计算出，当称为宇宙射线的质子从外太空飞到这里并撞击地球大气中的质子时，恰逢其时出现的粲夸克会给地球带来超高能中微子。这些可能会让寻找高能的观察者感到困惑来自宇宙的中微子。
Rojo 的合作计划通过寻找粲夸克和反夸克之间的不平衡来继续探索质子。而更重的成分，比如顶夸克，可能会出现更罕见、更难被发现的现象。
下一代实验将寻找更多未知的特征。布鲁克海文国家实验室的物理学家希望在 2030 年代启动电子离子对撞机，并从 HERA 中断的地方开始，拍摄更高分辨率的快照，从而实现质子的首次 3D 重建。 EIC 还将使用自旋电子来创建内部夸克和胶子自旋的详细地图，就像 SLAC 和 HERA 绘制它们的动量一样。这应该有助于研究人员最终确定质子自旋的起源，并解决有关构成我们日常生活大部分的令人费解的粒子的其他基本问题。
原文： https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/