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在质子的内部,有一片夸克海

 楚科奇0118 2021-05-03
微观世界里,有你看不见的惊奇。

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我们以为的质子,在三个“夸克”之外,其实还有一片夸克“海”。|CERN

作者|陈天真

原子里面有原子核,原子核里面有质子,那质子里面有什么呢?课本告诉我们,质子里面有三个夸克 。但事实果真如此吗?没有那么简单。

科学家们发现,质子内部还涌动着一片夸克“海”。那是一片夸克、反夸克共存的粒子团,它们彼此碰撞,不断产生又湮灭,寻常手段难以探测。并且,这片“海”里还有一些奇异特征,令科学家们十分好奇。

剥洋葱:从原子到夸克

原子是构成宇宙万物的基本微观粒子。猫、狗、植物,乃至你我,都由无数原子构成。原子很小,却仍然可以继续分割。它的中央是一个原子核,周围是茫茫一团电子云。

原子核极其微小,直径只有原子的数万分之一。假如原子是运动场,那原子核只相当于运动场中央的一只小蚂蚁。然而,这小小的原子核上,却集中了大约99.95%的原子质量。

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原子的中央是微小的原子核,集中了99.95%的原子质量。|维基百科

到了原子核就抵达最小尺度了吗?不,实验发现,原子核也并非不可分割,它是由质子和中子构成。而质子和中子也不是想象中的“无缝的蛋”:如果给它们拍一张快照,你会看到,它们内部都有3个夸克。1970年,斯坦福大学的粒子加速器用高速电子轰击质子,让我们首次窥探到质子的内部结构。

不过,由三个夸克组成的质子图像,实则过于简单。当科学家们使用更高速的电子轰击质子时,他们发现,质子的内部实际还涌动着一片波澜壮阔的夸克“海”

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质子的内部不止包含三个夸克,还涌动着一片难以看见的夸克“海”。| QuantaMagazine

暗潮涌动的夸克“海”

正如电子和正电子一样,宇宙中每种粒子都有对应的反粒子,它们质量相等、电荷相反,一旦碰撞,便会瞬间湮灭。质子内部也是如此,既有夸克,也有其反物质——反夸克

成对的夸克和反夸克,被强大的作用力核力束缚在一起,由于量子涨落效应(一种微观的“波动”现象),“夸克-反夸克对”从一片虚无中产生,又迅速湮灭,像海洋中的泡沫一样,形成一片暗涌的夸克“海”。

而我们寻常所见的夸克,便是从那正反相消的海中多出来的三个,在质子中,就是两上、一下的三个夸克。

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质子内部的夸克-反夸克不断产生和湮灭,但任何时刻都会多出三个。| QuantaMagazine

由于上夸克和下夸克质量非常接近,之前物理学家一直认为,夸克海中的上夸克-反上夸克对、下夸克-反下夸克对同样多,也就是说,上夸克、反下夸克一样多,质子内部的反物质粒子应该具有“对称性”

然而令人惊奇的是,从上世纪90年代开始,实验发现,质子内部的这种反物质间的对称性,有可能被打破。

反物质不对称?

夸克-反夸克对转瞬即逝,要探测到非常困难,物理学家借助粒子对撞机来探测它们:首先,对撞机将质子束射向靶原子,当质子束中的夸克和反夸克与靶原子中对应的反粒子相遇,就会迅速湮灭,并在探测器中留下痕迹,据此可以分析反上夸克和反下夸克的多少

此前已有两次实验研究了质子内部的反物质。1994年,欧洲核子研究中心(CERN)的实验发现,质子中的反下夸克比反上夸克多出50%。但当时只得到一个数据,且具有很大的不确定性。2001年,美国费米实验室(Fermilab)测得了更多数据,结果发现,质子中的反上夸克相对于反下夸克,可以从不足转变为过量,并非总是反下夸克更多。

为了揭开谜题,20年前,费米实验室开展了一项名为SeaQuest的新实验。最近,这个实验终于完成,并将结果发表于《自然》杂志。

这次实验的精度显著提高,并得出了与之前相矛盾的结果:在整个测量范围内,反下夸克和反上夸克的数量不相等,且反下夸克要丰富得多,平均而言,每个反上夸克对应1.4个反下夸克。

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费米实验室推翻了自己之前的结论,质子内部的反下夸克比反上夸克丰富得多。|Fermilab

这是迄今获得的质子中反物质分布的最精确图像。对称性被打破,仿佛成了板上钉钉。然而,为什么会有这种不对称性?仍是非常令人好奇。

对称性是自然界的一个基本特性。从数学到艺术,从生命体到漩涡状星系,对称性不仅蕴藏着美,也让我们得以理解宇宙规律。当一个物体“应该”对称,实际却不对称时,其中往往隐藏着深刻的自然规律。

虽然我们不知道质子中的这种不对称性,意味着什么,不过它确实令人惊奇。或许,等我们有一天能解开这个秘密,再重新回想今天的研究历程,会感叹:自然界的一切,从来都不是一眼分明的,但它确实可以被理解。我们需要的,不过是不停地擦亮眼睛,发现它,然后解决它。

参考链接:

/articles/d41586-021-00430-3

/articles/s41586-021-03282-z

/news/2021-02-nature-funhouse-mirror-asymmetry-proton.html

/protons-antimatter-revealed-by-decades-old-experiment-20210224/

文章由“科普研习社”(ID:cspbooks)公众号发布,转载请注明出处。

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