質子：由誇克組成但被膠子规制

一个質子仅是一个三個夸克組成的粒子的唯一穩定例子。但在質子內部是膠子而不是夸克统治。

Ethan Siegel

STARTS WITH A BANG — 

 

質子不只由三個價誇克弄成，而且包含一個在内部是夸克和反夸克和胶子的複雜和動態系統的子結構。核力就像一個彈簧一样起作用当未被拉伸時有可忽略的力但当被拉伸到大距離時有大的吸引力。據我們最好了解的，質子真的是一個穩定的粒子，從未没有被觀测到来衰變，而組成它的夸克和胶子沒有顯示複合性的證據。Credit: Argonne National Laboratory

關鍵要點

一个質子由兩個上誇克和一個下誇克弄成，是唯一真正穩定的重子：一个有三價誇克当孤立留下時不衰變的粒子。

然而，當我們在高能碰撞中將其它粒子粉碎成質子時不只是價誇克碰撞還有「海誇克」和膠子。

質子在內部是更「膠子的」還是「誇克的」？這取決於你多硬敲擊它，但我們进入能量越高，我們就越能看到膠子而不是誇克統治着質子。

每個好奇的孩子都會在某些点上或另外时间最终問的一個問題是「東西是由什麼構成的？似乎每一種成分都是由其他在一个越來越小尺度上組成的更基本的成分构成。人類由器官构成，這些器官由細胞組成，細胞由器官器組成，而器官器由分子組成，分子由原子組成。有一段時間，我們認為了原子是基本的——畢竟，它們被命名的希臘詞 τομος字面上意味“不可切割的”——因為原子的每種種類（或元素）有它自己獨特的物理和化學属性。

但實驗教导我們原子不是基本的，而是由原子核和電子組成的。此外，儘管電子不能被分裂开，但這些原子核是可以進一步分裂的：分成質子和中子。最後，現代實驗高能物理學的到来教导我們甚至質子和中子它们的內部有更小的粒子：誇克和膠子。你往往聽說每個核子就像一个質子或中子一樣它的内部有三個誇克，而誇克交換膠子，保持它們一起束缚。但這毕竟不是全图片。事實上，如果你問“對質子：誇克還是膠子是更重要的？”答案取決於你如何提問。这里是當我們观看一个質子內部時真的要紧的。

牛頓的萬有引力定律（左）和庫侖的靜電定律（右）有幾乎相同的形式，但一種類型对兩種電荷的根本區別為電磁學打开一個新可能性的世界。然而，在這兩種例子中，相对的只需要一個携带力的粒子引力子或光子。Credits: Dennis Nilsson/RJB1, Wikimedia Commons

如果你拿一個帶電粒子并带它靠近一个電子，電子将要么用一個特定的只直接相關到兩件事的力（靜電力）吸引它要么排斥它：

粒子的电荷

粒子到电子的距离

如果你隨後進行完全相同的實驗，但用一个質子替代一个電子，你會得到一個與在第一個實驗中帶電粒子受到的力相等且相反的力。原因呢？質子的電荷等於電子的電荷並且與電子的電荷相反。

如此然后你可能认为如果我們測量質子和電子的磁矩我們會觀察到什麼呢？

畢竟，從第一次實驗被看到的唯一差異出现是基於粒子的電荷。但粒子也能有一个对它们內在的角動量——被稱為自旋——而電子是一種沒有內部結構的基本粒子，有一个直接正比與四項因素：它的電荷、質量、光速和普朗克常數的磁矩。然后你可能认为如果你只用質子的質量代替電子的質量并翻轉符號（從相反的電荷），你就會得到質子的磁矩。类似的，因为中子是中性的（電荷為 0），你可能會預期它的磁矩会是零。

電子像所有自旋 1/2 費米子一樣，當被放置在一个磁場中時有兩種可能的自旋方向。它們的帶電的但點一样的性質描述它們的磁矩並解釋它們的行為，但質子和中子不服从相同的關係，這表明它們的複合性質。Credit: CK-12 Foundation/Wikimedia Commons

但這毕竟不是大自然給我們的！相反，質子的磁矩幾乎是那個天真預期的三倍一样大，而中子的磁矩大約是質子的值的三分之二，但有相反的符號。.

這里正在发生什么，那个如何会成这个樣子呢？

如果你考慮到質子和中子本身不是基本的點一样粒子，而是由多個帶電成分組成的複合粒子的可能性事情有很多意義。總的來說，大自然實際上有兩種能製造一个磁矩的方式。第一個是來自一个粒子的固有角動量或自旋，就像我們對電子有的一樣。不過，每当我們有一个物理上移動穿过太空的電荷時第二種發生,移動的電荷制造電流，電流诱导磁場。就像一个圍繞一个原子核運行的電子制造它自己的磁矩一樣，除了凡是內部單個（基本）粒子的内在電荷和自旋在内部贡献之外，一个單個質子（或中子）內部的帶電組成粒子也将贡献到質子（或中子）的磁矩。

一个質子的內部是一個混亂的地方，不僅有來自構成它的三個誇克的貢獻，還來自膠子、內部的場以及由所有源自基本力和它们的與物質的相互作用的虛擬和擾動粒子。Credit: DESY and the HERA collaboration

在我們从来直接探測質子和中子的內部結構之前，這些磁矩觀測服务为間接證据,它們一定是由更小、还更基本的組成粒子組成。

另一個線索來自早期的涉及將低能質子（它們在當時被認為是“高能”實驗但今天被認為是“低能”的）碰撞进其他粒子的實驗，然後檢測出來的。除了来自這些碰撞的碎片——你知道像其他質子、中子和電子一样的東西——我們能夠来探測以前從未見過的新型粒子。

有些是中性的，有些是帶正電的，有些是帶負電的。有些粒子在衰變前存活了幾十納秒，另一些粒子只存活了幾分之一飛秒：比更長存活的粒子更少十億倍的因素。但它們都比要么一个質子要么一个中子远更輕，而比一个電子或一个 μ介子更重。

來自費米實驗室的氣泡室跟蹤，揭示创造的粒子的電荷、質量、能量和動量。雖然這裡只顯示了幾十個粒子的軌跡，但軌跡的曲率和被位移的頂點允許我們来重建發生在碰撞點的交互。Credit: Fermi National Accelerator Laboratory/DOE/NSF

這些新發現的粒子变成被稱為介子（或 π 介子），它們以三種類型而来：π+、π- 和 π，分別對應於它們的相匹配質子、電子或中子的電荷的電荷。它們都比質子和中子远更輕，但顯然源自質子與其他質子和中子碰撞的過程。

這些诡异的新粒子——介子——如何可能存在，特別是如果質子和中子是基本粒子的話？

在人們绊倒在質子和中子複合性之前有其他走到了最前沿的理論。一個辉煌的（但劇透不正確的）想法來自阪田翔一：也許質子和中子以及它們的反粒子對應物是存在中的唯一基本东西。也許您通過利用以下組合製作了這些介子：

一个π+ 粒子是一个質子和一个反中子的複合束縛態，

一个π- 粒子是一个反質子和一个中子的複合束縛態，

一个π 粒子是一个質子-反質子和中子-反中子结合的束縛態的混合物。

標準模型的費米子、反費米子和玻色子如这里所示。一个π子曾經被認為是一个質子/反質子與中子/反中子的組合，但誇克模型其中上/反上和下/反下誇克組成介子、質子/反質子和中子/反中子远更準確描述我們的宇宙。Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

對阪田模型的最大反對是，π子比要么質子要么中子是如此远小质量的——大約是它們質量的 15%——以至於不清楚負結合能如何能去除這麼多質量。

後來當我們開始構建高能對撞機時它使我們能夠以足夠的能量將粒子粉碎成質子来真正找出什么在裡面。這些深度非彈性散射實驗實驗上表明了在質子內部真的存在單獨的結構，並且單個基本粒子（如電子）會以不同方式散射掉它們。

在實驗方面，這些变得被稱為部分子(partons)，而誇克的理論想法在理論方面站住了脚。這些想法試圖来解釋物質的內部結構以及質子、中子、介子和隨後在整個 1950 年代和 1960 年代發現的許多其他粒子的組成。我們現在知道部分子和誇克是同一东西並且：

質子由兩個上誇克和一個下誇克組成，

中子由一個上誇克和兩個下誇克組成，

π+ 由一個上誇克和一個反下誇克組成，

π- 由一個反上誇克和一個下誇克組成，

π 粒子是一个上/反上和下/反下誇克的混合物。

單個質子和中子可能是無色實體，但它們内的誇克是有色的。膠子能不僅被在一个質子或一个中子內各個膠子之間交換，還可以在質子和中子之間結合，導致核結合。然而每個交换都必須遵守全套量子規則。Credit: Manishearth/Wikimedia Commons

但這些誇克只是一個远更豐富的整體故事中的不完整部分。除了電荷之外——上誇克有一个為 +2/3e的電荷，下誇克的電荷為-1/3e，反誇克有相反的電荷，其中 e 是電子的電荷的幅值——誇克還有一種顏色荷：一種新型对強核力負責的荷。這個力必須是強的，特別是比各種誇克之間的電排斥力甚至更強，否則質子将只是飛开。

它的工作方式是迷人的,有點違反直覺。在量子場論中，電磁力通過帶電粒子之間的光子交換发生。类似的，強核力通過顏色荷粒子之間的膠子交換發生。雖然電力在無限遠距離走到零，但兩個粒子越靠近越強，但當粒子非常接近時強力趨於零，但當它們分開時它變得更強——就像一个拉伸的彈簧一樣。這些因素的結合導致質子的尺寸（約0.84 飛米）和質量（938 MeV/c²），其中最大只有大約 1% 到 2% 它的質量來自構成它的三個上下誇克。所有剩下的都由於強核力：膠子場造成有一个色荷的粒子之間的相互作用。

隨更好的實驗和理論計算已经出現，我們的質子的理解已经變得更複雜，膠子、海誇克和軌道相互作用进来發揮作用。總是有三個價誇克出现，但你與它們相互作用機會在更高能量降低。Credit: Brookhaven National Laboratory

在今天的現代高能對撞機中，我們以極高的能量將質子粉碎成其他質子：對應到它們以高達99.999999%光速移動相的能量。基于出来的，我們能告诉正在交互的是什麼。

它是一個来自一个質子與来自另一個質子的誇克相互作用的夸克嗎？

它是一個来自一个質子與来自另一個質子的膠子相互作用的誇克嗎？

或者它是來自一個質子與來自另一個質子的膠子相互作用的膠子？

儘管這三種都能（並且確實）發生，但它們不以相同比例發生。我們發現的有趣事情是誇克-誇克、誇克-膠子還是膠子-膠子相互作用佔主導地位都取決於碰撞本身的能量！

低能量碰撞被誇克-誇克相互作用统治，实际上所有的誇克都是你所期望的：上誇克和下誇克。

除了誇克-誇克相互作用之外，更高能量碰撞開始看到更大的誇克-膠子相互作用的比例，一些誇克可能原来是自然界中奇誇克或甚至魅誇克：更重、不穩定、更輕的第一代上下誇克的第二代表親。

在还更高的能量下，你变得被膠子-膠子相互作用统治。例如，在大型强子对撞机中，超過 90% 的記錄到的碰撞被重建為膠子-膠子相互作用，涉及誇克-膠子相互作用的碰撞构成大部分剩下的，因為在這些高能量下誇克-誇克相互作用变成最罕见的。

這種粒子軌跡的重建顯示CERN 大型強子對撞機的ATLAS 探測器中的候選希格斯事件。儘管清晰的签名和橫向軌跡，但由於質子是複合粒子的事实有一个其它粒子的淋雨，在那里每批質子交叉都發生數十次質子-質子碰撞。基于走出的签名，我們能重建最初在質子內部是否一个誇克-誇克、誇克-膠子或膠子-膠子碰撞發生了。Credit: CERN/ATLAS Collaboration

這教我們的是，我們的質子的图片就像量子宇宙中的幾乎所有其他事物一樣，依靠我們用來觀察它的方法變化。

在最低能量下——明顯低於一个質子的静止質量的能量——它純粹像一個點一样粒子行为，我們不能直接檢測到它的內部結構。

隨我们进入更高的能量，我們看到質子從點一样變為有一个內部結構。

在質子靜止質能的幾倍處，我們看到該內部結構由三個（價）誇克組成：只有上下誇克。

在更高的能量（質子的靜止質量的許多倍）下，這個簡化的图片讓位於一个內部更複雜的图片：膠子和誇克-反誇克對的海洋開始来出現。

随我們達到更高的能量，我們变得更有可能檢測到這些內部結構（膠子眼和誇克-反誇克對）的各個方面而不是價誇克，隨着這些能量增加，我們变得更有可能看到有更高靜止質量的粒子（如更重的誇克）。

在我們已经達到的最高能量下，膠子-膠子碰撞的碰撞分数毕竟超過涉及誇克的碰撞。.

你看越高能的，內部粒子的海洋就越密集，這種趨勢一直持續到並包括我們从來用来探測物質的最高能量。在低能量下，一个質子在本質上是更「誇克的」，但在更高能量下，它更像是一种“膠狀”的情況。

一个質子不僅僅是三個誇克和膠子，而是一个內部緻密的粒子和反粒子的海洋。我們越精確觀察一个質子我们進行深度非彈性散射實驗的能量就越大，我們在質子本身內部發現的子結構就越多。內部粒子的密度似乎沒有限制,隨著碰撞能量增加，它無限制的增加。Credit: Jim Pivarski/Fermilab/CMS Collaboration

我喜歡通過把質子內部的三個價誇克想成是點一样而来與質子碰撞的粒子为一個波使这个直觉有意义。在更高的能量下，入射（碰撞）粒子有一个更短的波長,因此與一个質子的尺寸相比它開始變小。在更低的能量下，與質子的整體尺寸相比波長是大的並且很難避免所有這些誇克：就像用許多“圓盤”（或重物或潛殼）布满它將披薩石滑下一条沙狐球路線一样。

但在更高能量下，你正在縮小你的波長;不是一个披薩石而是現在你正沿着同一路線滑下一角硬幣。有一个您仍然擊中那些誇克（沿途的其他“冰球”）的机会，但絕大多數情況下，您更有可能擊中誇克之間的“海”中的東西，這些海絕大多數由膠子組成。

許多物理學家只是好奇這種趨勢究竟持續多深。在越來越高的能量下，我們将保持遭遇一个越來越密集的膠子海洋，偶爾有誇克-反誇克對也出现嗎？或者我們會達到一個某些新奇而令人興奮东西的出現的点上，如果是這樣，它會是什麼和在哪裡？我們能找到答案的唯一方法是看得更遠：有更多的碰撞，而且——如果人類有意願讓它發生——以更高的能量。在我們已经能夠達到的能量，我們已經了解到一个質子的內部是更“膠的”而不是“誇克的”，但在更高的能量下，可能會有新的物理學等待被發現。

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/protons-quarks-gluons

/