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在质子的内部,有一片夸克海

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发表于 2021-5-18 09:27:12 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式

微观天下里,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,实在另有一片夸克“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 。但事实果真云云吗?没有那么简朴。


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,它们相互碰撞,不断产生又泯没,平常本事难以探测。并且,这片“海”里另有一些奇异特性,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根本微观粒子。猫、狗、植物,以致你我,都由无数原子构成。原子很小,却仍然可以继续分割。它的中心是一个原子核,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。如果原子是活动场,那原子核只相当于活动场中心的一只小蚂蚁。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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原子的中心是微小的原子核,集中了99.95%的原子质量。|维基百科


到了原子核就抵达最小标准了吗?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快器用高速电子轰击质子,让我们首次窥伺到质子的内部结构。


不外,由三个夸克构成的质子图像,实则过于简朴。当科学家们利用更高速的电子轰击质子时,他们发现,质子的内部现实还涌动着一片波澜壮阔的夸克“海”


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质子的内部不止包罗三个夸克,还涌动着一片难以望见的夸克“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,便会瞬间泯没。质子内部也是云云,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”征象),“夸克-反夸克对”从一片虚无中产生,又敏捷泯没,像海洋中的泡沫一样,形成一片暗涌的夸克“海”。


而我们平常所见的夸克,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-反夸克不断产生和泯没,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,之前物理学家不停以为,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,有大概被冲破。



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:起首,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,就会敏捷泯没,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,可以从不敷转变为过量,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。


这次实验的精度明显进步,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准确图像。对称性被冲破,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根本特性。从数学到艺术,从生命体到漩涡状星系,对称性不但蕴藏着美,也让我们得以理解宇宙规律。当一个物体“应该”对称,现实却不对称时,此中每每隐蔽着深刻的自然规律。


固然我们不知道质子中的这种不对称性,意味着什么,不外它确实令人惊奇。大概,等我们有一天能解开这个机密,再重新追念今天的研究历程,会感叹:自然界的齐备,从来都不是一眼分明的,但它确实可以被理解。我们需要的,不外是不绝地擦亮眼睛,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/


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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