質(zhì)子內(nèi)部有什么

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），撰文：Wood&Shermann，編譯：1/137

在盧瑟福（Ernest Rutherford）發(fā)現(xiàn)每個原子中心都有帶正電的粒子后一個多世紀，物理學家仍在努力完全理解質(zhì)子。

高中物理老師將它們描繪成沒什么特征的球 —— 每個球都帶一個單位的正電荷 —— 完美烘托了它們周圍“嗡嗡作響”的帶負電的電子。大學生知道這個球?qū)嶋H上是由三種被稱為夸克的基本粒子組成的。但近幾十年的研究揭示了更為深刻的真相 —— 一個太過離奇，以致無法用文字或圖像完全捕捉的真相。麻省理工學院的物理學家邁克?威廉姆斯（Mike Williams）說：“這是你能想象到的最復(fù)雜的東西了，事實上，你甚至無法想象它有多復(fù)雜。”

質(zhì)子是以量子力學描述的物質(zhì)，在實驗迫使它成為某種具體形式之前，其存在是一片概率的“霧霾”。它的形貌會因研究人員如何設(shè)置實驗而有很大差異。幾代物理學家努力把質(zhì)子的多面編織在一起。

隨著研究工作的繼續(xù)，質(zhì)子的秘密不斷被披露出來。2022 年 8 月發(fā)表的一項里程碑式的數(shù)據(jù)分析 [注 1] 發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子含有微量的粲夸克（charm quark），這些粒子比質(zhì)子本身還重。質(zhì)子“一直讓人類羞愧難當，”威廉姆斯說?！懊看萎斈阏J為對其已有所把握時，它就給你來一記重錘。”

最近，麻省理工學院核物理學家米爾納與杰斐遜實驗室（Jefferson Lab）的羅爾?恩特（Rolf Ent）、麻省理工學院制片人克里斯?博貝爾（Chris Boebel）和喬?麥克馬斯特（Joe McMaster）以及動畫師詹姆斯?拉普蘭特（James LaPlante）一起，打造了一系列質(zhì)子“變形”的動畫，他們以數(shù)百項實驗結(jié)果為基礎(chǔ)，將晦澀難懂的實驗圖譜轉(zhuǎn)化為便于觀看的質(zhì)子故事。本文將利用他們美妙的動畫，以期揭示出質(zhì)子內(nèi)的秘密。

敲開質(zhì)子

質(zhì)子包含眾多成分的證據(jù)來自 1967 年的斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）。在早期的實驗中，研究人員用電子轟擊質(zhì)子，然后觀察到它們像臺球一樣跳彈開來。而當 SLAC 提高能量，更猛烈地發(fā)射電子，研究人員發(fā)現(xiàn)它們的反彈方式不同。電子撞擊質(zhì)子的強度足以打碎后者 —— 這個過程稱為深度非彈性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）—— 并從質(zhì)子的類點碎片，即夸克反彈回來。這是夸克存在的第一個證據(jù)。

SLAC 的發(fā)現(xiàn)令三位物理學家獲得 1990 年諾貝爾物理學獎，此后人們對質(zhì)子的觀察愈加嚴格。迄今為止，物理學家已經(jīng)進行了數(shù)以百計的散射實驗。他們通過調(diào)整轟擊質(zhì)子的強度，以及測量被散射的粒子來推斷其內(nèi)部的各個方面。

通過使用更高能量的電子，物理學家可以找出目標質(zhì)子的更精細特征。在這類實驗中，電子能量設(shè)定了深度非彈性散射實驗的最大分辨能力，更強大的粒子對撞機提供了更清晰的質(zhì)子圖像。

高能對撞機還會產(chǎn)生更廣泛的碰撞結(jié)果，研究人員選擇出射電子中的不同部分進行分析。事實證明，這種靈活性是理解夸克的關(guān)鍵 —— 夸克以不同的動量在質(zhì)子內(nèi)部搖擺。

通過測量每個散射電子的能量和軌跡，研究人員可以判斷它是否掠過了夸克，是總動量很大的夸克，還是攜帶很小部分動量的夸克。在反復(fù)的碰撞下，研究人員像做人口普查一樣，確定質(zhì)子的動量是主要集中在幾個夸克中，還是分布在許多夸克上。

按照今天的標準，即使是 SLAC 的質(zhì)子分裂碰撞也是溫和的。在這些散射事件中，電子的彈射方式表明它們撞上了夸克，這些夸克攜帶質(zhì)子總動量的三分之一。這一發(fā)現(xiàn)與蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）的理論相符，他們在 1964 年假設(shè)質(zhì)子由三個夸克構(gòu)成。

蓋爾曼和茨威格的“夸克模型”仍然是想象質(zhì)子的一種優(yōu)雅方式。它有兩個“上”（up）夸克，每個夸克的電荷為 + 2/3，還有一個“下”（down）夸克，電荷為-1/3，質(zhì)子總的電荷為 + 1。

但夸克模型過度簡化，它存在嚴重的缺陷。

例如，當涉及到質(zhì)子的自旋時，它就失敗了。自旋是一種類似于角動量的量子特性。質(zhì)子有半個單位的自旋，它的每個上下夸克也是如此。物理學家最初認為，兩個上夸克的半個單位減去下夸克的半個單位必須等于整個質(zhì)子的半個單位，基本就是簡單算術(shù)的結(jié)果。但是在 1988 年，歐洲 μ 子合作組（European Muon Collaboration）報告說，夸克自旋加起來遠遠小于 1/2。同樣，兩個上夸克和一個下夸克的質(zhì)量僅占質(zhì)子總質(zhì)量的 1% 左右。這些缺陷使物理學家們已經(jīng)認識到這一點：質(zhì)子內(nèi)遠不止三個夸克。

遠不止三個夸克

1992 年至 2007 年在德國漢堡運行的強子 — 電子環(huán)形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用電子轟擊質(zhì)子的強度大約是 SLAC 的千倍。在 HERA 實驗中，物理學家可以選擇從極低動量夸克反彈的電子，甚至是僅攜帶質(zhì)子總動量 0.005% 的電子。而他們確實發(fā)現(xiàn)了極低動量電子：HERA 的電子從低動量夸克及其反物質(zhì)對應(yīng) —— 反夸克的漩渦中反彈回來。

這些結(jié)果證實了一個復(fù)雜而奇異的理論，它在當時已經(jīng)取代了蓋爾曼和茨威格的夸克模型。這一理論在 1970 年代發(fā)展起來，是一種作用于夸克之間的“強力”的量子理論。該理論將夸克描述為由被稱為膠子（gluon）的承載力的粒子系在一起。每種夸克和每種膠子都有三種類型的“色荷”（color charge）之一，標記為紅色，綠色和藍色；這些帶色荷的粒子自然地相互拉扯并形成一團 —— 如質(zhì)子 —— 其顏色加起來為中性的白色。這就是 QCD 的夸克禁閉（confinement），通俗地說，不存在自由夸克。這一多彩的理論被稱為量子色動力學（quantum chromodynamics），或 QCD。

根據(jù) QCD，膠子可以吸收瞬間的峰值能量。有了這種能量，膠子碎裂為一個夸克和一個反夸克 —— 每個都只攜帶一點動量 —— 然后它們湮滅并消失。由于 HERA 對低動量粒子具有更高的靈敏度，它直接檢測到了這一轉(zhuǎn)瞬即逝的膠子、夸克和反夸克的“汪洋”。

在更強有力的對撞機中，質(zhì)子該是什么樣子？HERA 發(fā)現(xiàn)了一些跡象。隨著物理學家調(diào)整 HERA 以尋找低動量夸克，這些來自膠子的夸克越來越多地涌現(xiàn)。這些結(jié)果表明，在更高能量的碰撞中，質(zhì)子將表現(xiàn)為幾乎是膠子云。在如下的動畫中，它看起來就像一朵蒲公英。

膠子“蒲公英”恰如 QCD 的預(yù)言?！癏ERA 數(shù)據(jù)是 QCD 描述自然的直接實驗證據(jù)，”米爾納說。

但這個年輕理論的勝利伴隨著一顆苦果：盡管 QCD 漂亮地描述了 HERA 極端碰撞所揭示的短壽命夸克和膠子的舞蹈，但該理論對于理解 SLAC 溫和轟擊（實驗）中看到的三個持久的夸克無濟于事。

只有當強相互作用相對較弱時，QCD 的預(yù)言才易于理解。只有當夸克極其靠近時，這種強作用力才會減弱，就像在短壽命的夸克 — 反夸克對（quark-antiquark pair）中一樣，即 QCD 的漸近自由（Asymptotic freedom）。弗蘭克?維爾切克（Frank Wilczek）、戴維?格羅斯（David Gross）和戴維?波利策（David Politzer）在 1973 年發(fā)現(xiàn)了 QCD 的這一決定性特征，并在 31 年后獲得了諾貝爾獎 [注 2]。

但是對于像 SLAC 這樣更溫和的碰撞，質(zhì)子就像相互之間保持距離的三個夸克一樣，這些夸克相互拉扯足夠強烈，以至于讓 QCD 計算變得不可能 [注 3]。因此，進一步揭開質(zhì)子三夸克圖像神秘面紗的任務(wù)主要落在了實驗家身上。那些進行“數(shù)字實驗”（digital experiments）的研究人員也做出了重要貢獻 [注 4]，因為 QCD 的預(yù)言是在超級計算機上模擬的。正是在這張低分辨率的圖片中，物理學家不斷發(fā)現(xiàn)驚喜。

“粲”然一新的景象

最近，荷蘭國家亞原子物理研究所（National Institute for Subatomic Physics）和阿姆斯特丹自由大學（VU University Amsterdam）的羅霍（Juan Rojo）領(lǐng)導的一個團隊分析了過去 50 年拍攝的 5000 多張質(zhì)子快照，使用機器學習來推斷質(zhì)子內(nèi)部夸克和膠子的運動，這種方式避開了理論猜測。

新的詳盡調(diào)查發(fā)現(xiàn)了過去研究人員沒有注意到的圖像背景模糊。在相對軟的碰撞中，質(zhì)子幾乎未被打破，大部分動量被凍結(jié)在通常的三個夸克中：兩個上夸克和一個下夸克。但一小部分動量似乎來自于一個“粲”夸克和“粲”反夸克 —— 它們是巨大的基本粒子，每個都比整個質(zhì)子還要重三分之一以上。

質(zhì)子有時就像五個夸克組成的“分子”。

短壽命的粲夸克頻繁出現(xiàn)在質(zhì)子的“夸克海”（quark sea）圖景中（膠子如果具有足夠的能量，可以分裂成六種不同的夸克類型中的任何一種）。但是羅霍和他的同事們的研究結(jié)果表明，這種粲夸克的存在更持久，在輕微的碰撞中也能被探測到。在這些碰撞中，質(zhì)子表現(xiàn)為多種狀態(tài)的量子混合態(tài)（quantum mixture）或疊加態(tài)（superposition）：一個電子通常會遇到三個輕夸克。但它偶爾會遇到一個更為罕見的由五個夸克構(gòu)成的“分子”，比如，一邊是一個上夸克、一個下夸克和一個粲夸克組合，另一邊是上夸克和粲反夸克。

關(guān)于質(zhì)子組成的這些微妙細節(jié)可能會被證明是重要的。在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中，通過將高速質(zhì)子撞擊在一起，物理學家看會彈出什么來尋找新的基本粒子；為了理解實驗結(jié)果，研究人員需要知道質(zhì)子內(nèi)部的初始成分。偶爾出現(xiàn)的巨大的粲夸克幻影會降低產(chǎn)生更多奇異粒子的可能性 [注 5]。

研究人員在 2021 年計算出，當宇宙線（cosmic rays）中的質(zhì)子從外太空沖過來，猛烈撞擊地球大氣中的質(zhì)子時，適時產(chǎn)生的粲夸克會朝地球揮灑陣雨般的超高能量中微子 [注 6]。這可能會使一些實驗家迷惑，因為他們一直期待尋找到來自宇宙彼岸的高能中微子 [注 7]。

羅霍的合作組計劃通過尋找粲夸克和反夸克之間的失調(diào)來繼續(xù)探索質(zhì)子。而更重的成分，如頂夸克，可能會產(chǎn)生更罕見、更難探測的現(xiàn)象。

下一代實驗將尋求更多未知的特征。布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的物理學家希望從 HERA 停止的地方繼續(xù)前行，在 2030 年左右啟動電子離子對撞機（Electron-Ion Collider，EIC），拍攝更高分辨率的快照，以實現(xiàn)質(zhì)子的首次 3D 重建。EIC 還將使用自旋電子來創(chuàng)建內(nèi)部夸克和膠子自旋的明細圖，就像 SLAC 和 HERA 繪制它們的動量一樣。這應(yīng)該有助于研究人員最終確定質(zhì)子自旋的起源，并解決有關(guān)構(gòu)成大部分日常物質(zhì)粒子的其他基本問題，它們總令人困惑，也令人著迷。

本文編譯自 Inside the Proton, the ‘Most Complicated Thing You Could Possibly Imagine’，原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/ inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/

注釋

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

• [2] 2004 年諾貝爾獎委員會因“在強相互作用當中發(fā)現(xiàn)了漸近自由”（“For the discovery of asymptotic freedom in the strong interaction.”）而授予 Frank Wilczek、David Gross 和 David Politzer 當年的諾貝爾物理學獎。

• [3] 目前，對于強耦合 QCD 的非微擾計算仍然是極其困難的。

• [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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