在质子内部，“你可能的可以想象的最复杂的东西”

位于原子中心的带正电荷的粒子是一个不能够讲的复杂的物体，一种依靠它怎样被探测变化它的外观的。我们已经试图来连接质子的许多面来形成迄今为止最完整的画面。

研究人员最近发现了质子有时包括一个魅夸克和魅反夸克，每个都比质子本身更重的巨大粒子

Charlie Wood

Staff Writer

October 19, 2022

MULTIMEDIA

在欧内斯特·卢瑟福在每个原子的心脏都发现了带正电荷的粒子一个多世纪后，物理学家们仍正在挣扎来完全理解质子。

高中物理老师把它们描述为有一个单位的正电荷的没有特征的球------围绕它们嗡嗡的负电荷电子的完美的箔。大学生们了解到这个球实际上是由三个叫夸克的基本粒子组成的一个束。但几十年的研究已经揭示了一个更深层次的真相，一种用文字或图像完全的捕捉它太奇特的。

麻省理工学院的物理学家迈克·威廉姆斯说，“这是你可以可能的想象的最复杂的东西，事实上，你甚至不能想象它是多复杂的” 。

质子是一种量子力学的作为概率的一个雾霾存在的对象，直到一个实验迫使它采取一种具体的形式为止。而它的形式取决于研究人员怎样建立他们的实验急剧的不同的。连接粒子的许多面一直是几代人的工作。麻省理工学院的核物理学家理查德·米尔纳说，“我们是种刚开始以一种完整的方式来理解这个系统” 。

随追求继续，质子的秘密保持翻滚出去。最最近，8月份发表的一项重大数据分析发现了质子包含叫魅夸克的比质子本身更重的粒子的踪迹。

威廉姆斯说，质子“一直对人类谦卑的，每次你认为自己有关于它上的一个掌握，它扔给你一些曲线球” 。

最近，米尔纳、杰斐逊实验室的罗尔夫·恩特、麻省理工学院电影制片人克里斯·博贝尔和乔·麦克马斯特以及动画师詹姆斯·拉普兰特开始来改造一组汇编数百个实验的结果成一系列形变质子的动画的神秘情节。我们已经把他们的动画融入到我们自己的试图来揭开它的秘密的尝试中。

裂纹打开质子

质子包含多面的证据来自1967年的斯坦福直线加速器中心（SLAC）。在早期的实验中，研究人员已经用电子连续的向它发射并观察了它们像台球一样弹跳开。但斯坦福直线加速器中心可以更有力的投掷电子，而研究人员看到了它们不一样的反弹回。电子正在坚硬的击中质子足以粉碎它------一个叫深度非弹性散射的过程------并正在从叫夸克的质子的点一样碎片反弹。弗吉尼亚大学的物理学家郑晓超说，“这是夸克实际上存在的第一个证据”。

在斯坦福直线加速器中心的发现并于1990年获得诺贝尔物理学奖后质子的精查加强了。迄今为止物理学家们已经进行了数百次散射实验。他们通过调整他们怎样有力的轰炸它并通过选择在爆炸之后他们收集了哪些分散的粒子推断这个对象内部的各个方面。

通过用高能电子，物理学家能搜索出目标质子的更精细的特征。以这种方式，电子能量设定一个深度非弹性散射实验的最大分辨率能力。更强大的粒子对撞机提供一个更清晰的质子观望。

高能对撞机也产生一个更广泛的碰撞结果，让研究人员选择输出电子的不同子集来分析。这种灵活性已经证明对理解夸克是关键，夸克以不同的动量的量在质子内部倾斜着。

通过测量每个散射电子的能量和轨迹，研究人员能告诉是已经扫视了一个携带大量质子的总动量的夸克还是只有一点点的夸克。通过反复的碰撞，他们能采取某些像一次人口普查一样的事情------确定质子的动量是主要被束缚在几个夸克上还是被分布在许多夸克上。

甚至斯坦福直线加速器中心的质子分裂碰撞按照今天的标准是温和的。在这些散射事件中，电子往往以一种暗示它们已经撞击进携带质子总动量三分之一夸克的方式爆炸。这一发现与来自默里·盖尔-曼和乔治·茨威格的理论匹配，他们在1964年摆出一个质子由三个夸克组成。

盖尔-曼恩和茨威格的“夸克模型”仍然是一种来想象质子的优雅方式。它有两个每个有+2/3电荷的“上”夸克和有一个电荷的−1/3的“下”夸克，总质子电荷为+1。

三个夸克在这个数据驱动的动画中倾斜着。. MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation

但夸克模型是一种过于简化有严重的缺点的模型。

例如，当到一个质子的自旋时它失败，一个类似于角动量的量子属性。质子有半个单位的自旋，就像它的每个上下夸克做的一样。物理学家最初提出了在一个呼应简单电荷运算的计算中，两个上夸克的半个单位减去下夸克的半个单位一定等于质子为一个整体的半个单位。但在1988年，欧洲μ介子合作组织报告了夸克自旋加起来远远小于一半。同样地，两个上夸克和一个下夸克的质量只包含质子总质量的1%左右。这些缺陷驱动了到家的物理学家已经正在来评价的一点：质子远远不止三个夸克。

远远超过三个夸克克

从1992年到2007年在德国汉堡运行的强子-电子环加速器（HERA）将电子撞击进质子大约比斯坦福直线加速器中心已经有过的更有力1000倍。在强子-电子环加速器实验中，物理学家可以选择从极低动量夸克反弹的电子，包括那些只携带少到质子总动量0.005%的电子。而他们做了探测它们：强子-电子环加速器的电子从一个低动量夸克和它们的反物质对手反夸克的一个漩涡反弹。

许多夸克和反夸克在一个粒子“海”中翻滚。MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation

研究结果证实了一个到那时取代了盖尔-曼恩和茨威格的夸克模型的复杂和古怪的理论。它发展于20世纪70年代，是一种在夸克之间起作用的“强力”的量子理论。该理论将夸克描述为被叫胶子的携带力的粒子捆在一起。每个夸克和每个胶子都有三种“颜色”荷类型之一，标记为红色、绿色和蓝色；这些带色荷的粒子自然的拉在彼此上并形成一个组------比如一个质子------它们的颜色加起来是一个中性的白色。这种彩色的理论变成了被称为量子色动力学或QCD。

按照量子色动力学，胶子能拾起能量的动量尖峰。用这个能量，一个胶子分裂成一个夸克和一个反夸克------每一个都携带一个微小的动量------在对粒子湮灭和消失之前。更小的能量峰值产生有更低动量的夸克对，它们生活短寿命的。正是这个胶子、夸克和反夸克的“海洋”，强子-电子环加速器对第一手检测到的更低动量粒子更大敏感的。

强子-电子环加速器还拾起了质子在更强的对撞机中看起来像的样子的暗示。随物理学家调整强子-电子环加速器来寻找更低动量夸克------这来自胶子------以越来越大的量显示出来。结果提出了甚至在更高能量碰撞中，质子会出现为一个几乎完全由胶子构成的云。

以云一样的形式胶子丰富的。MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation

胶子蒲公英刚好是量子色动力学预测的。米尔纳说，“强子-电子环加速器数据是量子色动力学描述自然的直接实验证据”。

但这个年轻理论的胜利带来一个苦果：虽然量子色动力学美丽的描述了由强子-电子环加速器的极端碰撞揭示的短暂生活的夸克和胶子的舞蹈，但这个理论对于理解在斯坦福直线加速器中心温和轰击中看到的三个持久夸克是无用的。

量子色动力学的预测只有当强力是相对弱时是容易来理解的。只有当夸克极端一起接近时强力减弱，因为它们是在短命的夸克-反夸克对中。弗兰克·威尔谢克、大卫·格罗斯和大卫·波利策和在1973年识别了量子色动力学的这一定义特征，并在31年后为它获得了诺贝尔奖。

但对于像斯坦福直线加速器中心一样更温和的碰撞，在那里质子起像三个夸克相互保持它们的距离的作用，这些夸克拉在彼此上足以强的以致量子色动力学计算变得不可能的。这样，进一步解密质子三夸克观望的任务很大程度上已经落到了实验人员身上。（进行“数字实验”的研究人员也做出了关键贡献，即在超级计算机上模拟量子色动力学。）正是在这幅低分辨率的画面中物理学家们保持发现惊奇。

一个迷人的新观望

最近，一个由胡安罗焦领导的国家物理研究所在荷兰和阿姆斯特丹大学的团队分析了在过去的50年里超过5000幅的质子快照，用机器学习以一种绕过理论猜测的方式来推断夸克和胶子在质子内部的运动。

新的精查拾起了过去研究人员已经逃避过的图像中一个背景模糊。在相对软的碰撞中，几乎没有破开质子的，大部分的动量被锁定在通常的三个夸克中：两个上和一个下。但少量的动量似乎来自一个“魅”夸克和魅反夸克------巨大的每个粒子都比整个质子多三分之一以上的基本粒子。

质子有时像一个五夸克的“分子”一样行动。

短暂的魅频繁的出现在质子的“夸克海”的质子观望中（如果胶子有足够的能量它们能分裂成六种不同的夸克类型中的任何一种）。但来自罗焦和同事的结果提出这些魅有一个更持久的存在，这使它们在更温和的碰撞中可以被检测到。在这些碰撞中，质子出现为一个量子混合物多态的超位：一个电子通常遇到三个轻量夸克。但它将偶尔遇到一个更罕见的五个夸克的“分子”，比如一边是一个上、下夸克和魅夸克，另一边是一个上夸克和魅反夸克。

关于质子的组成的微妙细节可能证明有结果的。在大型强子对撞机上，物理学家通过将高速质子一起撞击来搜索新的基本粒子并看什么蹦出来，为理解这些结果，研究人员需要知道在一个质子开始要什么。偶尔的巨大的魅夸克的特异景象会扔掉制造更多奇异粒子的机会。

研究人员在2021年计算了当叫宇宙射线的质子从外层空间疾驰到这里撞击进地球大气层中的质子时在合适的时刻蹦起的魅夸克会用超能量的中微子沐浴地球。这可能会混淆观察者搜索来自整个宇宙的高能中微子。

罗焦的合作计划继续通过搜索魅夸克和反夸克之间的一个不平衡探索质子。而更重的成分比如顶夸克可能使更罕见、更难来探测的外观可能的。

下一代的实验将寻求更多未知的特征。布鲁克海文国家实验室的物理学家们希望在21世纪30年代启动电子离子对撞机，拾起强子-电子环加速器离开了的地方，拍摄更高分辨率的快照，将使质子的第一个三维重建成为可能。EIC还将用旋转电子来创建内部夸克和胶子自旋的详细映射，就像斯坦福直线加速器中心和强子-电子环加速器映射出它们的动量一样。这将帮助研究人员最终定下质子的自旋的起源，并解决其他关于令人困惑的组成了我们日常世界的大部分的粒子的基本问题。

https://www.quantamagazine.org/inside-the-proton-the-most-complicated-thing-imaginable-20221019/