质子内部有什么

原子中心那个带正电荷的粒子是个难以言传的复杂东西，它会根据探测方式改变其样貌，展示出了多样的性质。如今，人们人们正努力将质子的千姿百态拼接成一副最完整的画面。

撰文 | C. Wood M.Shermann

编译 | 1/137

研究人员最近发现，质子有时包括粲夸克和粲反夸克，这些巨大的粒子都比质子本身重。[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

在卢瑟福（Ernest Rutherford）发现每个原子中心都有带正电的粒子后一个多世纪，物理学家仍在努力完全理解质子。

高中物理老师将它们描绘成没什么特征的球——每个球都带一个单位的正电荷——完美烘托了它们周围“嗡嗡作响”的带负电的电子。大学生知道这个球实际上是由三种被称为夸克的基本粒子组成的。但近几十年的研究揭示了更为深刻的真相——一个太过离奇，以致无法用文字或图像完全捕捉的真相。麻省理工学院的物理学家迈克·威廉姆斯（Mike Williams）说：“这是你能想象到的最复杂的东西了，事实上，你甚至无法想象它有多复杂。”

质子是以量子力学描述的物质，在实验迫使它成为某种具体形式之前，其存在是一片概率的“雾霾”。它的形貌会因研究人员如何设置实验而有很大差异。几代物理学家努力把质子的多面编织在一起。

随着研究工作的继续，质子的秘密不断被披露出来。2022年8月发表的一项里程碑式的数据分析[注1]发现，质子含有微量的粲夸克（charm quark），这些粒子比质子本身还重。质子“一直让人类羞愧难当，”威廉姆斯说。“每次当你认为对其已有所把握时，它就给你来一记重锤。”

最近，麻省理工学院核物理学家米尔纳与杰斐逊实验室（Jefferson Lab）的罗尔·恩特（Rolf Ent）、麻省理工学院制片人克里斯·博贝尔（Chris Boebel）和乔·麦克马斯特（Joe McMaster）以及动画师詹姆斯·拉普兰特（James LaPlante）一起，打造了一系列质子“变形”的动画，他们以数百项实验结果为基础，将晦涩难懂的实验图谱转化为便于观看的质子故事。本文将利用他们美妙的动画，以期揭示出质子内的秘密。

敲开质子

质子包含众多成分的证据来自1967年的斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的实验中，研究人员用电子轰击质子，然后观察到它们像台球一样跳弹开来。而当SLAC提高能量，更猛烈地发射电子，研究人员发现它们的反弹方式不同。电子撞击质子的强度足以打碎后者——这个过程称为深度非弹性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——并从质子的类点碎片，即夸克反弹回来。这是夸克存在的第一个证据。

SLAC的发现令三位物理学家获得1990年诺贝尔物理学奖，此后人们对质子的观察愈加严格。迄今为止，物理学家已经进行了数以百计的散射实验。他们通过调整轰击质子的强度，以及测量被散射的粒子来推断其内部的各个方面。

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。在这类实验中，电子能量设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图像。

高能对撞机还会产生更广泛的碰撞结果，研究人员选择出射电子中的不同部分进行分析。事实证明，这种灵活性是理解夸克的关键——夸克以不同的动量在质子内部摇摆。

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了夸克，是总动量很大的夸克，还是携带很小部分动量的夸克。在反复的碰撞下，研究人员像做人口普查一样，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上。

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，电子的弹射方式表明它们撞上了夸克，这些夸克携带质子总动量的三分之一。这一发现与盖尔曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）的理论相符，他们在1964年假设质子由三个夸克构成。

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“上”（up）夸克，每个夸克的电荷为+2/3，还有一个“下”（down）夸克，电荷为-1/3，质子总的电荷为+1。

但夸克模型过度简化，它存在严重的缺陷。

例如，当涉及到质子的自旋时，它就失败了。自旋是一种类似于角动量的量子特性。质子有半个单位的自旋，它的每个上下夸克也是如此。物理学家最初认为，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，基本就是简单算术的结果。但是在1988年，欧洲μ子合作组（European Muon Collaboration）报告说，夸克自旋加起来远远小于1/2。同样，两个上夸克和一个下夸克的质量仅占质子总质量的1%左右。这些缺陷使物理学家们已经认识到这一点：质子内远不止三个夸克。

质子“海洋”[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

模拟三个夸克的运动。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返朴”公众号观看视频】

远不止三个夸克

1992年至2007年在德国汉堡运行的强子—电子环形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用电子轰击质子的强度大约是SLAC的千倍。在HERA实验中，物理学家可以选择从极低动量夸克反弹的电子，甚至是仅携带质子总动量0.005%的电子。而他们确实发现了极低动量电子：HERA的电子从低动量夸克及其反物质对应——反夸克的漩涡中反弹回来。

许多夸克和反夸克在喧嚣的粒子“海洋”中沸腾。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返朴”公众号观看视频】

这些结果证实了一个复杂而奇异的理论，它在当时已经取代了盖尔曼和茨威格的夸克模型。这一理论在1970年代发展起来，是一种作用于夸克之间的“强力”的量子理论。该理论将夸克描述为由被称为胶子（gluon）的承载力的粒子系在一起。每种夸克和每种胶子都有三种类型的“色荷”（color charge）之一，标记为红色，绿色和蓝色；这些带色荷的粒子自然地相互拉扯并形成一团——如质子——其颜色加起来为中性的白色。这就是QCD的夸克禁闭（confinement），通俗地说，不存在自由夸克。这一多彩的理论被称为量子色动力学（quantum chromodynamics），或QCD。

根据QCD，胶子可以吸收瞬间的峰值能量。有了这种能量，胶子碎裂为一个夸克和一个反夸克——每个都只携带一点动量——然后它们湮灭并消失。由于HERA对低动量粒子具有更高的灵敏度，它直接检测到了这一转瞬即逝的胶子、夸克和反夸克的“汪洋”。

在更强有力的对撞机中，质子该是什么样子？HERA发现了一些迹象。随着物理学家调整HERA以寻找低动量夸克，这些来自胶子的夸克越来越多地涌现。这些结果表明，在更高能量的碰撞中，质子将表现为几乎是胶子云。在如下的动画中，它看起来就像一朵蒲公英。

胶子如云，比比皆是。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返朴”公众号观看视频】

胶子“蒲公英”恰如QCD的预言。“HERA数据是QCD描述自然的直接实验证据，”米尔纳说。

但这个年轻理论的胜利伴随着一颗苦果：尽管QCD漂亮地描述了HERA极端碰撞所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（实验）中看到的三个持久的夸克无济于事。

只有当强相互作用相对较弱时，QCD的预言才易于理解。只有当夸克极其靠近时，这种强作用力才会减弱，就像在短寿命的夸克—反夸克对（quark-antiquark pair）中一样，即QCD的渐近自由（Asymptotic freedom）。弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）、戴维·格罗斯（David Gross）和戴维·波利策（David Politzer）在1973年发现了QCD的这一决定性特征，并在31年后获得了诺贝尔奖[注2]。

但是对于像SLAC这样更温和的碰撞，质子就像相互之间保持距离的三个夸克一样，这些夸克相互拉扯足够强烈，以至于让QCD计算变得不可能[注3]。因此，进一步揭开质子三夸克图像神秘面纱的任务主要落在了实验家身上。那些进行“数字实验”（digital experiments）的研究人员也做出了重要贡献[注4]，因为QCD的预言是在超级计算机上模拟的。正是在这张低分辨率的图片中，物理学家不断发现惊喜。

“粲”然一新的景象

最近，荷兰国家亚原子物理研究所（National Institute for Subatomic Physics）和阿姆斯特丹自由大学（VU University Amsterdam）的罗霍（Juan Rojo）领导的一个团队分析了过去50年拍摄的5000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，这种方式避开了理论猜测。

新的详尽调查发现了过去研究人员没有注意到的图像背景模糊。在相对软的碰撞中，质子几乎未被打破，大部分动量被冻结在通常的三个夸克中：两个上夸克和一个下夸克。但一小部分动量似乎来自于一个“粲”夸克和“粲”反夸克——它们是巨大的基本粒子，每个都比整个质子还要重三分之一以上。

质子有时就像五个夸克组成的“分子”。【前往“返朴”公众号观看视频】

短寿命的粲夸克频繁出现在质子的“夸克海”（quark sea）图景中（胶子如果具有足够的能量，可以分裂成六种不同的夸克类型中的任何一种）。但是罗霍和他的同事们的研究结果表明，这种粲夸克的存在更持久，在轻微的碰撞中也能被探测到。在这些碰撞中，质子表现为多种状态的量子混合态（quantum mixture）或叠加态（superposition）：一个电子通常会遇到三个轻夸克。但它偶尔会遇到一个更为罕见的由五个夸克构成的“分子”，比如，一边是一个上夸克、一个下夸克和一个粲夸克组合，另一边是上夸克和粲反夸克。

关于质子组成的这些微妙细节可能会被证明是重要的。在大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）中，通过将高速质子撞击在一起，物理学家看会弹出什么来寻找新的基本粒子；为了理解实验结果，研究人员需要知道质子内部的初始成分。偶尔出现的巨大的粲夸克幻影会降低产生更多奇异粒子的可能性[注5]。

研究人员在2021年计算出，当宇宙线（cosmic rays）中的质子从外太空冲过来，猛烈撞击地球大气中的质子时，适时产生的粲夸克会朝地球挥洒阵雨般的超高能量中微子[注6]。这可能会使一些实验家迷惑，因为他们一直期待寻找到来自宇宙彼岸的高能中微子[注7]。

罗霍的合作组计划通过寻找粲夸克和反夸克之间的失调来继续探索质子。而更重的成分，如顶夸克，可能会产生更罕见、更难探测的现象。

下一代实验将寻求更多未知的特征。布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的物理学家希望从HERA停止的地方继续前行，在2030年左右启动电子离子对撞机（Electron-Ion Collider，EIC），拍摄更高分辨率的快照，以实现质子的首次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明细图，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，并解决有关构成大部分日常物质粒子的其他基本问题，它们总令人困惑，也令人着迷。

本文编译自Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing You Could Possibly Imagine’，原文链接：
https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/

注释

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-022-04998-2.

[2] 2004年诺贝尔奖委员会因“在强相互作用当中发现了渐近自由”（“For the discovery of asymptotic freedom in the strong interaction.”）而授予Frank Wilczek、David Gross和David Politzer当年的诺贝尔物理学奖。

[3] 目前，对于强耦合QCD的非微扰计算仍然是极其困难的。

[4] https://www.quantamagazine.org/impossible-particle-discovery-adds-key-piece-to-the-strong-force-puzzle-20210927/.

[5] https://arxiv.org/abs/1512.06666.

[6] https://arxiv.org/abs/2107.13852.

[7] https://www.quantamagazine.org/cosmic-map-of-ultrahigh-energy-particles-points-to-long-hidden-treasures-20210427/.

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