在质子内部发现比质子更重的魅夸克，意味着什么？

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每个质子包含三个夸克：两个上夸克和一个下夸克。但是前阵子科学家们在内部发现了比质子本身更重的魅夸克，这意味着什么？

（图片来源：阿贡国家实验室）

质子不仅由三个价夸克组成，还包含一个子结构，该子结构是内部夸克（和反夸克）和胶子的复杂动态系统。

关键要点

• 质子是复合粒子，内部由夸克和胶子组成，我们可以通过粒子物理实验和深度非弹性散射等技术对其进行探测和探测。
• 通过测量高能碰撞产生的结果，我们可以重建碰撞点发生的情况，确定质子内部的哪些组成粒子发生碰撞。
• 然而，我们最近在一次碰撞中发现了质子内部的魅夸克，而不只是上下夸克（以及胶子）。这怎么可能？

在20 世纪初，我们仍在弄清楚物质的结构是什么。我们知道一切都是由原子组成的，原子中有带负电的电子，但原子的其余部分是个谜。在过去的 120 年中，我们随后了解到，每个原子都有一个带正电荷的小原子核。原子核本身由核子——质子和中子组成，每个核子本身又由夸克和胶子组成。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则由两个下夸克和一个上夸克组成。

但是还有其他四种基本类型的夸克：奇夸克、魅夸克、底夸克和顶夸克，后三种都比质子本身重。那么，如何在质子内部发现这样的粒子呢？

这是一个深刻的问题，让我们从根本上重新考虑物质在最小尺度上的行为。

（图片来源：Magdalena Kowalska/CERN/ISOLDE 团队）

从宏观尺度到亚原子尺度，基本粒子的大小在决定复合结构的大小方面只起很小的作用。构建块是否是真正的基本和/或点状粒子仍然未知，但我们确实了解从大的宇宙尺度到微小的亚原子尺度的宇宙。

在基本层面上，我们了解到宇宙中存在的一切都由基本的、不可分割的量子组成：遵循量子物理学奇异且通常违反直觉规则的粒子。我们所熟悉的正常物质是由原子构成的，而原子本身又是由原子核和电子构成的，而原子核又是由质子和中子组成的，每个质子和中子都有自己独特的内部结构。

当我们大多数人想到质子或中子的内部结构时，我们会想到决定其电荷、磁矩、质量等属性的三个夸克。最轻的粒子总是最稳定的，因为较重的粒子会衰变成较轻的粒子；因此，我们熟悉的正常物质由最轻的两个夸克构成也就不足为奇了：上夸克和下夸克。

上夸克每个带 +⅔ 电荷，下夸克每个带 -⅓ 电荷，得到质子（带 +1 电荷）的方法是将两个上夸克与一个下夸克结合（因为 ⅔ + ⅔ + -⅓ = +1)，而获得中子（电荷为 0）的途径是将两个下夸克与一个上夸克组合（因为 -⅓ + -⅓ + ⅔ = 0）。

（图片来源： Manishearth /Wikimedia Commons）

单个质子和中子可能是无色实体，但其中的夸克是有色的。胶子不仅可以在质子或中子内的单个胶子之间交换，还可以在质子和中子之间的组合中交换，从而导致核结合。然而，每一次交换都必须遵守全套量子规则，而这些强相互作用是时间反转对称的：你无法判断这里的动画电影是在时间上向前移动还是向后移动。

你需要明白三个夸克的原因是强力的工作方式。强力使夸克形成束缚态，并遵守称为量子色动力学的理论规则。在色动力学中，每个夸克都有一个“色荷”，每个胶子都有一个“色-反色”组合。颜色可以是红色、绿色和蓝色，而反色是它们在色轮上的相反颜色：青色、品红色和黄色。然而，唯一允许存在的稳定束缚态是整体上完全无色的组合。

当每种颜色与其各自的反色配对时，它会形成无色组合；当所有三种颜色或所有三种反色组合在一起时，它们也会形成无色组合。因此，只有以下组合：

• 三个夸克，
• 三个反夸克，
• 夸克-反夸克对，
• 或以上两项或多项的组合，

是可以接受的束缚状态。上夸克和下夸克非常轻，但由于它们通过胶子交换结合在一起，所以结合态（例如质子或中子）的总质量可能非常大。结合能与静止质量能一样都是能量的一种形式，它们都对核子的质量有贡献。

（图片来源： DESY和 HERA 合作）

质子的内部是一个混乱的地方，不仅有构成它的三个夸克的贡献，还有胶子、内部场以及所有由基本力及其相互作用产生的虚粒子和微扰粒子的贡献。事情。

但是，我们需要询问质子之类的内部结构。你探测它的方式是向它发射其他粒子：例如其他质子、光子或电子。电子可能是探测质子内部结构的最原始方式，因为：

• 它是一个基本的点粒子，而不是复合粒子，
• 它有电荷，像夸克，但没有色荷，所以它不能直接与胶子相互作用，
• 电子夸克碰撞产生的碰撞后碎片可以在实验粒子物理学中重建，
• 并且电子夸克相互作用的物理学可以在标准模型中以简单的方式进行理论上的计算。

此外，随着我们在碰撞中达到越来越高的能量，我们已经看到并注意到不同的影响。更高的能量对应于更短的时间尺度和更短的相互作用距离，使我们能够在确定质子等物质的内部结构时获得越来越细粒度的信息。

正是通过利用这些因素的实验，我们修改了过去约 40 年左右质子内部发生的事情的图片，以及我们最近如何发现是的：来自深度非弹性散射实验，有时在质子中确实存在“不应该存在”的粒子，例如魅夸克。

（图片来源：布鲁克海文国家实验室）

在 80 年代初期，我们对质子的看法是它由价夸克组成，虽然内部有胶子，但它们是虚粒子，对质子的内部结构没有贡献。由于深度非弹性散射，我们知道质子内部存在胶子和夸克-反夸克对的海洋。

在能量足够低的情况下，将物体粉碎成质子和中子时，你所看到的只是整个原子核本身。夸克直到 20 世纪下半叶才被发现，原因很简单，我们没有以足够的能量将质子和中子相互撞击（或与其他粒子一起）以揭示其内部结构。

然而，随着能量的增加，有关这些粒子内部结构的新现象开始出现。关于质子的内部结构，您首先能够检测到的是三个价夸克：两个上夸克和一个下夸克赋予质子宏观特性。在这些能量下碰撞两个质子，几乎 100% 发生的碰撞都可以成功地建模为每个质子中三个价夸克之一之间的夸克-夸克碰撞。

但如果你进入更高的能量，你就会开始在质子内部发现更深、更复杂的结构。特别是，您首先开始注意到质子内部有胶子，夸克-胶子碰撞和最终胶子-胶子碰撞成为当您将两个质子碰撞在一起时发生的最常见和最重要的相互作用类型。

（图片来源： Qashqaiilove /Wikimedia Commons）

由有色夸克介导的质子内部的力交换只能以光速移动。无质量胶子在重新组合之前可以分裂成夸克-反夸克对，所有六种夸克都发挥作用并促进整体效果。

不管你怎么想，不仅是价夸克有助于夸克在质子内碰撞的可能性；还有一种被称为“海夸克”的现象。每当你有一个胶子在质子内交换时，胶子自发发生的概率是有限的、非零的：

• 转换成夸克-反夸克对，
• 通过质子中价夸克之间的内部空间传播，
• 重新组合成胶子，
• 然后完成与另一个价夸克的交换。

我们可能更普遍地认为海森堡的不确定性原理适用于真空：粒子-反粒子对可以从量子真空中进出存在，只要它们存在的时间量服从能量-时间不确定性关系。

但是随着我们对宇宙的量子理解而来的部分原因是每个量子都有一个有限的、非零的变化来经历我们所说的辐射校正和循环：粒子可以释放玻色子或可以进行玻色子分裂在重新组合之前变成粒子-反粒子对。在低能量和/或碰撞次数较少的情况下，我们不太可能看到这样的事件。但是如果你把大量的高能事件加起来，这些相互作用的证据就会开始积累。

（图片来源：APS/Alan Stonebraker ）

质子的三个价夸克对其自旋有贡献，但胶子、海夸克和反夸克以及轨道角动量也有贡献。静电排斥力和吸引人的强核力共同决定了质子的大小，而夸克混合的性质是解释我们宇宙中自由粒子和复合粒子的集合所必需的。

现在，胶子——在质子内部“分裂”成粒子-反粒子（夸克-反夸克）对的粒子没有质量，但它们并非没有能量。事实上，三个价夸克的结合能决定了约 98+% 的质子质量，并且该能量分布在质子的所有成分中：价夸克、胶子，并推而广之，海夸克也是如此。

大多数时候，海夸克（和反夸克）只是成对的上下夸克（和反夸克），因为它们是所有夸克（和反夸克）中静质量最低的，只包含不到质子质量的 1%每个质量。奇夸克（和反夸克）是夸克中第三轻的，但要重得多：它的质量约为质子质量的 10%，这意味着奇夸克-反夸克对占质子质量的 20%。

请记住，只要有足够的可用能量，就应该始终可以通过爱因斯坦最著名的方程E = mc²创建粒子-反粒子对。任何人都不应该感到惊讶，在由质子内部的强相互作用产生的海夸克中，有时奇夸克（和反夸克）会出现在更常见的起伏之中。

（图片来源：Jim Pivarski /Fermilab/CMS Collaboration）

一个质子不仅仅是三个夸克和胶子，而是内部的致密粒子和反粒子的海洋。我们对质子的观察越精确，进行深度非弹性散射实验的能量越大，我们在质子内部发现的子结构就越多。内部粒子的密度似乎没有限制，但在足够高的能量下，质子和中子会分解形成夸克-胶子等离子体：物质自身的高能态。

但更令人惊讶的是，正如 去年8 月份的一项研究表明的那样，那里也存在魅夸克。毕竟，魅夸克是夸克中第四轻的，质量大约是质子质量的 136%。应该大力禁止胶子分裂成一对魅力-反魅力对，因为胶子的总能量永远不会超过质子总能量的一部分。E = mc²根本没有足够的能量来实现它。

然而，事实证明，这并不是您可能期望的破坏交易的因素。当我们用能量探测质子的内部时，我们发现内部确实有一片粒子海，但是这片海的深度和密度是没有限制的。你与质子相互作用的能量越大——请记住，高能量对应于短波长、短距离和短时间尺度内部粒子的海洋似乎越密集。

但即使这样的相互作用揭示了魅夸克的存在，也并不一定意味着我们正在寻找本质上是质子一部分的魅夸克。我们必须小心，当我们检测到质子内部的粒子时，它不是由于高能相互作用的结果而被检测到的，而是作为质子本身固有的粒子的结果。

（来源：CERN/CMS 合作）

当两个质子发生碰撞时，不仅仅是构成它们的夸克会发生碰撞，海夸克、胶子以及除此之外的场相互作用也会发生碰撞。所有这些都可以提供对单个组件自旋的洞察力，并允许我们在达到足够高的能量和光度时创造出潜在的新粒子。当我们检测到由于碰撞而产生的重的、不稳定的粒子时，我们必须仔细辨别它是由于碰撞而产生的，还是一直存在的。

只要产生的魅力-反魅力对是虚拟的（即，作为胶子花费一些时间作为夸克-反夸克对的结果），这不应该让我们感到惊讶。事实上，通过海森堡的不确定性原理，观察非常小规模的短时相互作用可以让我们暂时从能量-时间不确定性关系中借用一些额外的能量。只要额外的能量允许创造一对魅力-反魅力对——或者，就此而言，底部-反底部和/或顶部-反顶部对它们就应该存在。事实上，从量子色动力学物理学来看，我们可以肯定，如果我们以某种方式改变底夸克或顶夸克的质量，质子的质量也会随之改变。

但这个特殊的说法是不同的，尽管它发表在《自然》杂志上，但并不像我们想要的那样肯定是一个灌篮高手。声称我们正在检测的魅力场是额外的东西：除了产生海夸克的这些微扰 QCD 效应应该存在的魅力场之外。换句话说，他们声称发现质子中存在一些由价夸克和胶子产生的“额外魅力”。这个说法，这一切都取决于聚合数据、机器学习、内部夸克分布函数的模型以及稳健性的结合。

（图片来源： NNPDF Collaboration，Nature，2022）

质子内部是否存在比胶子场产生的魅力-反魅力粒子更多的魅力？必须证明灰色数据与蓝点比绿点更一致。到目前为止的数据是提示性的，但不是决定性的。

关于“质子中有更多魅力夸克”的说法比你从这个虚拟对产生中所期望的要多，这是基于上面的蓝点，比绿点更适合数据。

是吗？

是的。但不是通过宣布粒子物理学发现通常所需的五西格玛显着性；这是关于三西格玛效应，或者仍然有很大机会成为侥幸的东西。事实上，在粒子物理学中，大多数检测到的三西格玛效应确实是侥幸，而不是新发现。这到底是真的还是侥幸，值得进一步研究，但不应该认为质子本质上还具有“额外的魅夸克”。

这是一个非常困难的问题，因为我们在一个很难准确计算某些数量的理论中谈论虚粒子。虚拟粒子不受真实粒子的硬性规则约束：它们具有本质上不确定的属性，包括质量和能量。真正的”魅夸克的比质量总是比质子大 136%，而这些由胶子产生的虚魅夸克可以具有任何质量，甚至包括负值！

关于这一说法的最酷的部分是，我们实际上正在接近于能够测量质子内部夸克的贡献，这些夸克是由于量子色动力学而从胶子场中产生的。有可能——早期迹象表明它可能确实如此，即质子的含义比我们迄今为止假设的要多。但是，通常情况下，这需要更多更好的数据，以及对最小、最高能量尺度物理学的更好理解，这是肯定的！