质子的活动轨迹：在质子的内部有一片夸克海

微观世界里，有你看不见的惊奇。

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。

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”。

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。

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，反上夸克、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。

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：

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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