多少倍显微镜可以看见质子（科学家窥视了质子的内部）

在卢瑟福发现每个原子中心的正电荷粒子一个多世纪后，物理学家仍在努力完全理解质子。高中物理老师把它们描述成一个带正电荷单位的球。这个球实际上是由三种称为夸克的基本粒子组成的。几十年的研究揭示了一个更深刻的真相，一个太过怪异，无法用文字或图像完全描述的真相。麻省理工学院的物理学家迈克·威廉姆斯说，

这是你能想象到的最复杂的事情，你甚至无法想象它有多复杂。

质子是一种量子力学物体，是一种很模糊的存在。在不同的实验条件下，质子的形式会表现出很大的不同。揭秘质子是几代人的工作。麻省理工学院的核物理学家理查德·米尔纳说，

我们才刚刚开始全面了解这个（质子）系统。

随着研究的继续，质子的秘密不断被揭露出来。最近，8月发表的一项重要数据分析发现，质子含有被称为魅夸克的粒子的痕迹，这些粒子比质子本身更重。

最近，米尔纳等人着手将数百次实验的结果编译成一系列质子变形的动画。我们将他们的动画，试图揭开它的秘密。

1967年，斯坦福线性加速器中心（SLAC）证明了质子含有大量粒子。在早期的实验中，研究人员向质子投掷电子，观察到它们像台球一样反弹。但斯坦福线性加速器可以更有力地抛出电子，研究人员发现它们反弹回来的方式不同。电子撞击质子的力度足以将其粉碎，并从质子的点状碎片（称为夸克）上反弹。这也是夸克确实存在的第一个证据。

SLAC的发现获得了1990年的诺贝尔物理学奖，在这之后，对质子的研究加强了。迄今为止，物理学家已经进行了数百次散射实验。他们通过调整轰击的力度和选择在爆炸后收集的分散粒子来推断质子内部的各个方面。

通过使用更高能量的电子，物理学家可以找出目标质子更精细的特征。这样，电子能量决定了分辨能力。更强大的粒子对撞机可以更清晰地观察质子。

更高能量的对撞机还能产生更多的碰撞结果，让研究人员可以选择输出电子的不同子集进行分析。这种灵活性被证明是理解夸克的关键，夸克在质子内部以不同的动量旋转。

通过测量每一个分散的电子的能量和运动轨迹，研究人员可以判断它是否擦过了一个夸克，夸克携带了质子总动量的大部分还是只有一小部分。通过反复的碰撞，他们可以做一些类似普查的事情——确定质子的动量是主要集中在几个夸克中，还是分布在许多夸克中。

在这些散射事件中，电子的发射方式往往表明，它们撞上了夸克，夸克的动量占质子总动量的三分之一。这一发现与默里·盖尔曼和乔治·茨威格在1964年提出的一个质子由三个夸克组成的理论相吻合。

盖尔曼和茨威格的“夸克模型”仍然是想象质子的一种好的方式。它有两个“上”夸克（每个夸克带 2/3的电荷）和一个“下”夸克（带- 1/3的电荷），质子总电荷为 1。

• 在这个数据驱动的动画中，有三个夸克在旋转。

但夸克模型过于简单化，存在严重缺陷。

例如，当涉及到质子的自旋时，它就失效了。质子有半个单位的自旋，它的上下夸克也是如此。物理学家最初假设两个上夸克的半单位减去下夸克的半单位必然等于整个质子的半单位。但在1988年，欧洲Muon子合作组织报告称，夸克自旋加起来远远不到1 / 2。同样，两个上夸克和一个下夸克的质量只占质子总质量的1%左右。这些缺陷充分说明了物理学家已经开始认识到的一点：质子远不止三个夸克。

强子-电子环加速器（HERA）从1992年到2007年在德国运行，它将电子撞向质子的力度大约是SLAC的1000倍。在HERA实验中，物理学家可以选择被极低动量夸克反弹的电子，包括那些仅携带质子总动量0.005%的夸克。他们确实探测到了它们，HERA的电子从低动量夸克和它们的反物质对应物（反夸克）的漩涡中反弹。

• 许多夸克和反夸克在翻滚的粒子“海洋”中沸腾。

结果证实了一个复杂而古怪的理论，这个理论当时已经取代了盖尔曼和茨威格的夸克模型。它是在20世纪70年代发展起来的，是一种作用于夸克之间的“强作用力”的量子理论。该理论将夸克描述为被称为胶子的带力粒子捆绑在一起。每个夸克和胶子都有三种“颜色”电荷中的一种，分别被标记为红、绿、蓝；这些带颜色的粒子自然地相互拉扯，形成一个基团（比如质子），其颜色加起来就是中性白色。这一理论被称为量子色动力学，简称QCD。

根据QCD，胶子可以捕捉到瞬间的能量峰值。在这种能量的作用下，在这对夸克湮灭并消失之前，胶子分裂成一个夸克和一个反夸克（每个夸克都携带着微小的动量）。较小的能量峰值会产生动量较低的夸克对，它们的寿命较短。正是这个胶子、夸克和反夸克的“海洋”，让HERA对低动量粒子有了更敏感的第一手发现。

HERA还发现了质子在更强大的对撞机中的样子。当物理学家调整HERA以寻找低动量夸克时，这些来自胶子的夸克出现的数量越来越多。结果表明，在更高能量的碰撞中，质子会呈现出几乎完全由胶子组成的云团。

• 胶子以云状形式大量存在。

胶子云团正是QCD所预测的。“HERA数据是QCD描述自然的直接实验证明，”米尔纳说。

但这个年轻的理论的胜利也伴随着一个问题，尽管QCD完美地描述了HERA极端碰撞所揭示的短命夸克和胶子的运动，但该理论对于理解SLAC温和轰击中看到的三个持久夸克是无用的。

只有当强作用力相对较弱时，QCD的预测才容易理解。只有当夸克非常靠近时，这种强作用力才会减弱，就像在短命的夸克-反夸克对中一样。弗兰克·威尔切克、大卫·格罗斯和大卫·波利策在1973年发现了QCD的这一决定性特征，并在31年后获得了诺贝尔奖。

但对于像SLAC这样的温和碰撞，质子就像三个相互保持距离的夸克，这些夸克相互牵拉的强度足以使QCD计算变得不可能。因此，进一步揭开质子三夸克观点神秘面纱的任务主要落在了实验家的身上。

最近，荷兰国家亚原子物理研究所和阿姆斯特丹自由大学的胡安·罗霍领导的一个团队分析了过去50年拍摄的5000多张质子快照，使用机器学习来推断质子内部夸克和胶子的运动，这种方式避开了理论猜测。

新的研究发现了过去研究人员没有注意到的图像背景。在相对温和的碰撞中，质子刚刚被打破，大部分动量被锁定在通常的三个夸克中。但一小部分动量似乎来自于一个“魅”夸克和一个“魅”反夸克——巨大的基本粒子，每个粒子都超过整个质子的三分之一以上。

• 质子有时表现得像五个夸克的“分子”。

短暂的魅夸克经常出现在质子的“夸克海洋”中。但是研究结果表明，这种魅夸克的存在更加持久，在轻微的碰撞中也能被探测到。在这些碰撞中，质子表现为多种状态的量子混合物或叠加。但它偶尔会遇到一个更罕见的由五个夸克组成的“分子。

关于质子组成的这些微妙细节可能会被证明是重要的。在大型强子对撞机中，物理学家通过将高速质子撞击在一起，来寻找新的基本粒子；为了理解结果，研究人员需要知道质子的初始成分。偶尔出现的巨大魅夸克会降低产生更多奇异粒子的可能性。

研究人员在2021年计算出，当被称为宇宙射线的质子从外太空冲到这里，与地球大气层中的质子相撞时，在适当的时刻出现的魅夸克将向地球注入额外能量的中微子。这可能会让正在寻找来自宇宙的高能中微子的观测者感到困惑。

罗霍通过寻找魅夸克和反夸克之间的不平衡来继续探索质子。而较重的成分，如顶夸克，可能会产生更罕见、更难以探测的现象。

下一代实验将寻找更多未知的特征。这将有助于研究人员最终确定质子自旋的起源，并解决关于这个构成我们日常世界大部分的令人困惑的粒子的其他基本问题。