質子內部有什麼？_風聞

原子中心那個帶正電荷的粒子是個難以言傳的複雜東西，它會根據探測方式改變其樣貌，展示出了多樣的性質。如今，人們人們正努力將質子的千姿百態拼接成一副最完整的畫面。

撰文 | C. Wood M.Shermann

編譯 | 1/137

研究人員最近發現，質子有時包括粲夸克和粲反夸克，這些巨大的粒子都比質子本身重。[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

在盧瑟福（Ernest Rutherford）發現每個原子中心都有帶正電的粒子後一個多世紀，物理學家仍在努力完全理解質子。

高中物理老師將它們描繪成沒什麼特徵的球——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。大學生知道這個球實際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）説：“這是你能想象到的最複雜的東西了，事實上，你甚至無法想象它有多複雜。”

質子是以量子力學描述的物質，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置實驗而有很大差異。幾代物理學家努力把質子的多面編織在一起。

隨着研究工作的繼續，質子的秘密不斷被披露出來。2022年8月發表的一項里程碑式的數據分析[注1]發現，質子含有微量的粲夸克（charm quark），這些粒子比質子本身還重。質子“一直讓人類羞愧難當，”威廉姆斯説。“每次當你認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傑斐遜實驗室（Jefferson Lab）的羅爾·恩特（Rolf Ent）、麻省理工學院製片人克里斯·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，打造了一系列質子“變形”的動畫，他們以數百項實驗結果為基礎，將晦澀難懂的實驗圖譜轉化為便於觀看的質子故事。本文將利用他們美妙的動畫，以期揭示出質子內的秘密。

敲開質子

質子包含眾多成分的證據來自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子，然後觀察到它們像枱球一樣跳彈開來。而當SLAC提高能量，更猛烈地發射電子，研究人員發現它們的反彈方式不同。電子撞擊質子的強度足以打碎後者——這個過程稱為深度非彈性散射（Deep Inelastic Scattering，DIS）——並從質子的類點碎片，即夸克反彈回來。這是夸克存在的第一個證據。

SLAC的發現令三位物理學家獲得1990年諾貝爾物理學獎，此後人們對質子的觀察愈加嚴格。迄今為止，物理學家已經進行了數以百計的散射實驗。他們通過調整轟擊質子的強度，以及測量被散射的粒子來推斷其內部的各個方面。

通過使用更高能量的電子，物理學家可以找出目標質子的更精細特徵。在這類實驗中，電子能量設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子圖像。

高能對撞機還會產生更廣泛的碰撞結果，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鍵——夸克以不同的動量在質子內部搖擺。

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。在反覆的碰撞下，研究人員像做人口普查一樣，確定質子的動量是主要集中在幾個夸克中，還是分佈在許多夸克上。

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

蓋爾曼和茨威格的“夸克模型”仍然是想象質子的一種優雅方式。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，當涉及到質子的自旋時，它就失敗了。自旋是一種類似於角動量的量子特性。質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於整個質子的半個單位，基本就是簡單算術的結果。但是在1988年，歐洲μ子合作組（European Muon Collaboration）報告説，夸克自旋加起來遠遠小於1/2。同樣，兩個上夸克和一個下夸克的質量僅佔質子總質量的1%左右。這些缺陷使物理學家們已經認識到這一點：質子內遠不止三個夸克。

質子“海洋”[Samuel Velasco/Quanta Magazine]

模擬三個夸克的運動。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返樸”公眾號觀看視頻】

遠不止三個夸克

1992年至2007年在德國漢堡運行的強子—電子環形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator，HERA）用電子轟擊質子的強度大約是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，甚至是僅攜帶質子總動量0.005%的電子。而他們確實發現了極低動量電子：HERA的電子從低動量夸克及其反物質對應——反夸克的漩渦中反彈回來。

許多夸克和反夸克在喧囂的粒子“海洋”中沸騰。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返樸”公眾號觀看視頻】

這些結果證實了一個複雜而奇異的理論，它在當時已經取代了蓋爾曼和茨威格的夸克模型。這一理論在1970年代發展起來，是一種作用於夸克之間的“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並形成一團——如質子——其顏色加起來為中性的白色。這就是QCD的夸克禁閉（confinement），通俗地説，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QCD，膠子可以吸收瞬間的峯值能量。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——然後它們湮滅並消失。由於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，質子該是什麼樣子？HERA發現了一些跡象。隨着物理學家調整HERA以尋找低動量夸克，這些來自膠子的夸克越來越多地湧現。這些結果表明，在更高能量的碰撞中，質子將表現為幾乎是膠子云。在如下的動畫中，它看起來就像一朵蒲公英。

膠子如雲，比比皆是。[MIT/Jefferson Lab/Sputnik Animation]【前往“返樸”公眾號觀看視頻】

膠子“蒲公英”恰如QCD的預言。“HERA數據是QCD描述自然的直接實驗證據，”米爾納説。

但這個年輕理論的勝利伴隨着一顆苦果：儘管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，但該理論對於理解SLAC温和轟擊（實驗）中看到的三個持久的夸克無濟於事。

只有當強相互作用相對較弱時，QCD的預言才易於理解。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年發現了QCD的這一決定性特徵，並在31年後獲得了諾貝爾獎[注2]。

但是對於像SLAC這樣更温和的碰撞，質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，以至於讓QCD計算變得不可能[注3]。因此，進一步揭開質子三夸克圖像神秘面紗的任務主要落在了實驗家身上。那些進行“數字實驗”（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，物理學家不斷髮現驚喜。

“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）領導的一個團隊分析了過去50年拍攝的5000多張質子快照，使用機器學習來推斷質子內部夸克和膠子的運動，這種方式避開了理論猜測。

新的詳盡調查發現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，質子幾乎未被打破，大部分動量被凍結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於一個“粲”夸克和“粲”反夸克——它們是巨大的基本粒子，每個都比整個質子還要重三分之一以上。

質子有時就像五個夸克組成的“分子”。【前往“返樸”公眾號觀看視頻】

短壽命的粲夸克頻繁出現在質子的“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，質子表現為多種狀態的量子混合態（quantum mixture）或疊加態（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。

關於質子組成的這些微妙細節可能會被證明是重要的。在大型強子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）中，通過將高速質子撞擊在一起，物理學家看會彈出什麼來尋找新的基本粒子；為了理解實驗結果，研究人員需要知道質子內部的初始成分。偶爾出現的巨大的粲夸克幻影會降低產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）中的質子從外太空衝過來，猛烈撞擊地球大氣中的質子時，適時產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來繼續探索質子。而更重的成分，如頂夸克，可能會產生更罕見、更難探測的現象。

下一代實驗將尋求更多未知的特徵。布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的物理學家希望從HERA停止的地方繼續前行，在2030年左右啓動電子離子對撞機（Electron-Ion Collider，EIC），拍攝更高分辨率的快照，以實現質子的首次3D重建。EIC還將使用自旋電子來創建內部夸克和膠子自旋的明細圖，就像SLAC和HERA繪製它們的動量一樣。這應該有助於研究人員最終確定質子自旋的起源，並解決有關構成大部分日常物質粒子的其他基本問題，它們總令人困惑，也令人着迷。

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/

註釋

[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現了漸近自由”（“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，對於強耦合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/.