在質子的內部，有一片夸克海

微觀世界裡，有你看不見的驚奇。

我們以爲的質子，在三個“夸克”之外，其實還有一片夸克“海”。｜CERN

作者｜陳天真

原子裡面有原子核，原子核裡面有質子，那質子裡面有什麼呢？課本告訴我們，質子裡面有三個夸克 。但事實果真如此嗎？沒有那麼簡單。

科學家們發現，質子內部還涌動着一片夸克“海”。那是一片夸克、反夸克共存的粒子團，它們彼此碰撞，不斷產生又湮滅，尋常手段難以探測。並且，這片“海”裡還有一些奇異特徵，令科學家們十分好奇。

剝洋蔥：從原子到夸克

原子是構成宇宙萬物的基本微觀粒子。貓、狗、植物，乃至你我，都由無數原子構成。原子很小，卻仍然可以繼續分割。它的中央是一個原子核，周圍是茫茫一團電子雲。

原子核極其微小，直徑只有原子的數萬分之一。假如原子是運動場，那原子核只相當於運動場中央的一隻小螞蟻。然而，這小小的原子核上，卻集中了大約99.95％的原子質量。

原子的中央是微小的原子核，集中了99.95％的原子質量。｜維基百科

到了原子核就抵達最小尺度了嗎？不，實驗發現，原子核也並非不可分割，它是由質子和中子構成。而質子和中子也不是想象中的“無縫的蛋”：如果給它們拍一張快照，你會看到，它們內部都有3個夸克。1970年，斯坦福大學的粒子加速器用高速電子轟擊質子，讓我們首次窺探到質子的內部結構。

不過，由三個夸克組成的質子圖像，實在過於簡單。當科學家們使用更高速的電子轟擊質子時，他們發現，質子的內部實際還涌動着一片波瀾壯闊的夸克“海”。

質子的內部不止包含三個夸克，還涌動着一片難以看見的夸克“海”。| QuantaMagazine

暗潮涌動的夸克“海”

正如電子和正電子一樣，宇宙中每種粒子都有對應的反粒子，它們質量相等、電荷相反，一旦碰撞，便會瞬間湮滅。質子內部也是如此，既有夸克，也有其反物質——反夸克。

成對的夸克和反夸克，被強大的作用力核力束縛在一起，由於量子漲落效應（一種微觀的“波動”現象），“夸克-反夸克對”從一片虛無中產生，又迅速湮滅，像海洋中的泡沫一樣，形成一片暗涌的夸克“海”。

而我們尋常所見的夸克，便是從那正反相消的海中多出來的三個，在質子中，就是兩上、一下的三個夸克。

質子內部的夸克-反夸克不斷產生和湮滅，但任何時刻都會多出三個。| QuantaMagazine

由於上夸克和下夸克質量非常接近，之前物理學家一直認爲，夸克海中的上夸克-反上夸克對、下夸克-反下夸克對同樣多，也就是說，反上夸克、反下夸克一樣多，質子內部的反物質粒子應該具有“對稱性”。

然而令人驚奇的是，從上世紀90年代開始，實驗發現，質子內部的這種反物質間的對稱性，有可能被打破。

反物質不對稱？

夸克-反夸克對轉瞬即逝，要探測到非常困難，物理學家藉助粒子對撞機來探測它們：首先，對撞機將質子束射向靶原子，當質子束中的夸克和反夸克與靶原子中對應的反粒子相遇，就會迅速湮滅，並在探測器中留下痕跡，據此可以分析反上夸克和反下夸克的多少。

此前已有兩次實驗研究了質子內部的反物質。1994年，歐洲核子研究中心（CERN）的實驗發現，質子中的反下夸克比反上夸克多出50%。但當時只得到一個數據，且具有很大的不確定性。2001年，美國費米實驗室（Fermilab）測得了更多數據，結果發現，質子中的反上夸克相對於反下夸克，可以從不足轉變爲過量，並非總是反下夸克更多。

爲了解開謎題，20年前，費米實驗室開展了一項名爲SeaQuest的新實驗。最近，這個實驗終於完成，並將結果發表於《自然》雜誌。

這次實驗的精度顯著提高，並得出了與之前相矛盾的結果：在整個測量範圍內，反下夸克和反上夸克的數量不相等，且反下夸克要豐富得多，平均而言，每個反上夸克對應1.4個反下夸克。

費米實驗室推翻了自己之前的結論，質子內部的反下夸克比反上夸克豐富得多。｜Fermilab

這是迄今獲得的質子中反物質分佈的最精確圖像。對稱性被打破，彷彿成了板上釘釘。然而，爲什麼會有這種不對稱性？仍是非常令人好奇。

對稱性是自然界的一個基本特性。從數學到藝術，從生命體到漩渦狀星系，對稱性不僅蘊藏着美，也讓我們得以理解宇宙規律。當一個物體“應該”對稱，實際卻不對稱時，其中往往隱藏着深刻的自然規律。

雖然我們不知道質子中的這種不對稱性，意味着什麼，不過它確實令人驚奇。或許，等我們有一天能解開這個秘密，再重新回想今天的研究歷程，會感嘆：自然界的一切，從來都不是一眼分明的，但它確實可以被理解。我們需要的，不過是不停地擦亮眼睛，發現它，然後解決它。

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00430-3

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03282-z

https://phys.org/news/2021-02-nature-funhouse-mirror-asymmetry-proton.html

https://www.quantamagazine.org/protons-antimatter-revealed-by-decades-old-experiment-20210224/

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本文經授權轉載自《科普研習社》微信公衆號

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