想象一下，我們把一棟房子放在一個(gè)非常大的秤上進(jìn)行稱重，然后又將它分解為每一塊磚進(jìn)行稱重，我們發(fā)現(xiàn)磚的重量之和比整棟房子還重。在經(jīng)典物理學(xué)的世界中，我們認(rèn)為這是不可能的。但在亞原子物理學(xué)的怪異世界中，它完全有可能發(fā)生。假設(shè)質(zhì)子是上述提到的那棟房子，那么那些磚就是質(zhì)子內(nèi)部的夸克，更多地了解它有助于我們理解粒子物理學(xué)中最大的謎團(tuán)。
宇宙中的每個(gè)原子內(nèi)部都至少有一個(gè)質(zhì)子。事實(shí)上，質(zhì)子構(gòu)成了大部分常規(guī)物質(zhì)。由于數(shù)十年的粒子物理學(xué)研究，我們知道質(zhì)子是由稱為夸克的更小粒子構(gòu)成的。具體來(lái)說(shuō)，質(zhì)子由夸克的兩種基本“味”構(gòu)成：上夸克和下夸克。
一些物理學(xué)家提出，除了這兩個(gè)夸克之外，質(zhì)子還有另一個(gè)基本成分：粲夸克。粲夸克是夸克的另一種形式，其行為與上夸克完全一樣，只是質(zhì)量大得多，單個(gè)粲夸克比整個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量都大。所以，用它制造質(zhì)子的想法聽(tīng)起來(lái)確實(shí)有點(diǎn)奇怪。但由于另一個(gè)奇怪的規(guī)則，它在物理上是合理的。在這個(gè)極小的現(xiàn)實(shí)尺度上，一切都?xì)w結(jié)為概率。
物理學(xué)家使用方程式來(lái)描述他們?cè)谟^察質(zhì)子高速碰撞時(shí)會(huì)看到哪些夸克，然后他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。大約 99.5% 的時(shí)間，當(dāng)他們?cè)谶@些情況下觀察質(zhì)子時(shí)，他們會(huì)看到它是由上夸克和下夸克組成的，正如預(yù)期的那樣。但另外 0.5% 的時(shí)間，他們看到它也是由粲夸克構(gòu)成的，這就是磚比房子重的原因。
因?yàn)轸涌淇撕苌俪霈F(xiàn)，而且它們的壽命很短，所以在描述這些東西的方程式中，它們只占質(zhì)子總質(zhì)量的一小部分。物理學(xué)家確實(shí)經(jīng)?？吹劫|(zhì)子中出現(xiàn)短命的粲夸克，但他們稱它為外在粲夸克，因?yàn)楫?dāng)我們不將質(zhì)子高速撞擊時(shí)，它們不被認(rèn)為是質(zhì)子的組成部分。
然而，一些物理學(xué)家認(rèn)為，無(wú)論我們是否在粒子加速器中粉碎質(zhì)子，都存在內(nèi)在的粲夸克基本構(gòu)建塊。事實(shí)證明，要找到質(zhì)子確實(shí)由內(nèi)在粲夸克構(gòu)成的證據(jù)要困難得多。幾十年來(lái)，物理學(xué)家一直在追尋內(nèi)在粲夸克的微妙線索，但有一個(gè)巨大的效應(yīng)可能掩蓋了它。每個(gè)質(zhì)子也有一個(gè)翻騰的粒子“海洋”，物理學(xué)家必須在這種噪音中尋找內(nèi)在粲夸克。
如果不考慮特定模型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，那么就無(wú)法剔除這些噪音。內(nèi)在粲夸克有很多似是而非的模型，因此通常物理學(xué)家必須檢查每個(gè)模型，看看與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否匹配。但是 2022 年 8 月發(fā)表的研究使用了一個(gè)新技巧：機(jī)器學(xué)習(xí)。該團(tuán)隊(duì)將 30 年的粒子碰撞數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，然后讓計(jì)算機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)自行匹配模型來(lái)尋找內(nèi)在粲夸克的證據(jù)。
機(jī)器學(xué)習(xí)可以一次查看大量不同的模型，它可以比以前人工匹配更有效地確定哪些模型最適合數(shù)據(jù)。果然，研究人員確實(shí)找到了內(nèi)在粲夸克的證據(jù)。他們甚至計(jì)算了發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)內(nèi)在粲夸克的概率：大約 0.6%。但這個(gè)證據(jù)是可靠的嗎？該研究團(tuán)隊(duì)表示，目前還達(dá)不到粒子物理學(xué)所要求的 5σ 標(biāo)準(zhǔn)。
無(wú)論質(zhì)子是否真的具有這種內(nèi)在粲夸克，這類超精確測(cè)試對(duì)于粒子物理學(xué)的未來(lái)至關(guān)重要。研究人員正在更深入地探索現(xiàn)實(shí)的最小部分，這需要極高的準(zhǔn)確性，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，還是在對(duì)自然法則的理解上。
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：萬(wàn)象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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