一个质子里面真的是什么？

资深撰稿人 Ethan Siegel

资深撰稿人 Starts With A Bang撰稿人小组
Feb 15, 2021,02:00am EST

Science

   《福布斯》撰稿人表达的意见是他们自己的。

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从一声爆炸开始

        宇宙就在那里等待你来发现它。

一个质子的三价夸克贡献到它的自旋，但胶子、海夸克和反夸克和轨道角动量也贡献的。静电排斥和吸引的强核力一起赋予质子它的大小，而夸克混合的属性被需要来解释我们的宇宙中的自由和复合粒子套件。单个质子整体上，像费米子一样行为，而不是像玻色子一样。APS/Alan Stonebraker

    在一个基本水平上，宇宙是由不可分割的粒子组成的。

从宏观尺度到亚原子尺度，基本粒子的大小只在确定复合结构的大小一个小角色。构建基块是否是真正的基本粒子和/或点类粒子仍然不知道的，但我们确实从大宇宙尺度到微小的亚原子尺度理解宇宙。每个人体总共由近10^28个原子组成。MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM

    每个结构都包含"不可切割"的不能被进一步分开的成分。

单个粒子和复合粒子能拥有轨道角动量和内在（自旋）...角动量。当这些粒子在它们内部或内在有电荷时，它们产生磁矩，导致它们在一个磁场存在的情况下被一个特定量偏转，帮助我们揭示它们的存在和属性。IQQQI / Harold Rich

    甚至质子和中子是复合的：含有基本的夸克和胶子。

https://specials-images.forbesimg.com/imageserve/5fb477568e4b56eafc7556ee/960x0.gif?fit=scale
单个质子和中子可能是无色的实体，但它们中的夸克是彩色的。胶子不仅能在质子或中子内的单个胶子之间被交换，而且能在质子和中子之间结合，导致核结合。然而，每一个交换都必须遵守全套量子规则。WIKIMEDIA COMMONS USER MANISHEARTH

    在每个里面不是只有三个夸克，而是一片粒子的海洋。

更好地了解质子的内部结构，包括"海"夸克和胶子被怎样分布已经通过实验改进和新的理论发展同时取得。一个质子是比仅由被胶子把持的三个夸克更多的。Brookhaven National Laboratory

    由于夸克有：

·                                 质量、

·                                 电荷、

·                                 色荷

·                                 和弱力耦合，

它们与所有已知的粒子相互作用。

希格斯玻色子， 现在用质量耦合到标准模型的夸克、轻子和 W 和 Z 玻色子，这给它们质量。它不耦合到光子和胶子意味着这些粒子仍然无质量的。夸克耦合到所有的力载体。光子、胶子和 W-Z 玻色子分别的耦合到所有体验电磁、强和弱核力的粒子。如果在那里有额外的粒子，他们可能也有这些耦合。TriTertButoxy at English Wikipedia

    你看质子内部越高能，内部粒子的"海洋"就显得越密。

质子不仅仅是三个夸克和胶子，而是一个密集的粒子和反粒子的海洋。...我们越精确地观察质子，我们进行深度无弹性散射实验的能量越大，我们在质子本身内部发现子结构越多。里面的粒子密度似乎没有限制。Jim Pivarski / Fermilab / CMS Collaboration

    深层无弹性散射帮助通过一起粉碎质子揭示这些粒子和反粒子。

大型强子对撞机ATLAS探测器中一个四μ介子候选事件。（从技术上讲，这个衰变涉及两个μ介子和两个反μ介子。μ介子/反μ介子轨道以红色强调，随长寿命的μ介子比任何其它任何不稳定粒子旅行更远。由大型强子对撞机获得的能量足以创造希格斯玻色子;以前的电子正电子对撞机不能取得这种必要的能量。ATLAS Collaboration/CERN

    这是一个数字游戏：在更高的能量的更多碰撞增加我们的机会。

世界上第一个电子阳离子对撞机（EIC）的示意图。给布鲁克黑文相对论重离子对撞机（RHIC）添加一个电子环（红色）将创建这个电子阳离子对撞机：一个拟议的深度无弹性散射实验，可以显著的提高我们的质子的内部结构的知识。Brookhaven National Laboratory-CAD eRHIC group

    对于暗物质、暗能量和许多其他在那里不能解释的现象，单靠标准模型不能解释一切。

https://specials-images.forbesimg.com/imageserve/5f764da441aa5e7991ece1ad/960x0.gif?fit=scale

这个片段来自一个结构形成模拟，随着宇宙的膨胀出去.它代表在一个富含暗物质的宇宙中数十亿年的引力增长。请注意细丝在交汇处形成的丝和丰富的星团，主要由于暗物质而产生，正常物质只起次要作用。Ralf Kähler and Tom Abel (KIPAC)/Oliver Hahn

    当天体物理学家"向外看"来探索宇宙时，粒子物理学家却"向内看"物质本身。

当两个质子碰撞时，不仅是构成它们的夸克能碰撞，还有海夸克、胶子以及除此之外的场相互作用。所有这些都能提供各个组件的自旋的洞察，并允许我们来创造潜在的新粒子，如果达到足够高的能量和亮度。CERN / CMS Collaboration

    同时，这两个领域都帮助科学家理解宇宙的结构、性质、规则和组成。

大型强子对撞机的内部，在那里质子以299792455米/s的速度相互传递，只比光速慢3米/s。尽管大型强子对撞机功能强大，但如果我们想要揭开宇宙的出了大型强子对撞机的能力范围的秘密，我们需要开始规划下一代对撞机。Julian Herzog / c.c.a-by-3.0

    欧洲核子研究中心的大型强子对撞机已经揭示了标准模型的许多秘密，但没有任何超越它的东西。

观察到的希格斯衰变通道对标准模型协议，有来自ATLAS的最新数据包括 CMS的。该协议是惊人的，但同时令人沮丧。到 2030 年代，大型强子对撞机将有约为 50 倍的数据量，但在许多衰减通道上的精度仍只能被知道达到百分之几。未来的对撞机可以提高该精度多个数量级，揭示潜在的新粒子的存在。André David, via Twitter

    在更高的能量下数据越多发现某些基本上新的东西的可能性增加。

大型强子对撞机运行和升级的计划时间表。虽然新冠大流行可能会稍微延迟一点， 事实是我们目前 （2021 年初） 只完成了第二轮， 到 2030 年底， LHC能期望拿到到目前为止拿到的数据量的20多倍。HiLumi LHC Plan / CERN / LHC / HL-LHC Plan

    未来更高能对撞机为实验物理学的在质子内部找到某些新的东西提供最大的希望。

拟议的未来环形对撞机（FCC）的规模，与目前欧洲核子研究中心的LHC和以前在费米实验室运行的特拉幅电子相比。未来环形对撞机可能是迄今为止最雄心勃勃的下一代对撞机方案，包括作为拟议科学方案各个阶段的轻子和质子选项。更大的尺寸和更强的磁场是来"扩大起"能量的唯一合理方法。Pcharito / Wikimedia Commons

    大多是寂静的星期一不超过200字以图像、视觉效果告诉一个科学故事。少说话多微笑。

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    我（Ethan Siegel）是一名哲学博士、天体物理学家、作家和科学传播者，在各学院教授物理学和天文学。我已经赢得了许多科学写作奖…

 

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2021/02/15/whats-really-inside-a-proton/?sh=7e53ad586f6b