质子内部真的存在粲夸克吗？

20世纪初，我们还在弄清物质的结构。我们知道一切都由原子组成，其中有带负电的电子，但原子的其他部分是个谜。在过去125年里，我们后来了解到，每个原子都有一个小而有质量的带正电的原子核。这个原子核本身由核子组成——质子和中子，每个核子由夸克和胶子组成。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则由两个下夸克和一个上夸克组成。

但夸克还有另外四种基本类型：奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，后三种都比质子本身还重。那么，如何可能找到这样一个比质子更重的粒子里面质子？那就是我们的Patreon支持者亚伦·韦斯想知道，问道：

“质子中怎么可能有魅夸克？我以为魅夸克比质子质量大，那这怎么可能？'重夸克也存在于质子波函数中'是什么意思？本文所述]?”

这是一个深刻的问题，让我们从根本上重新思考物质在最微小尺度上的行为。让我们深入探讨吧！

在基本层面上，我们明白宇宙中存在的一切由基本且不可分割的量子组成：这些粒子遵循量子物理中奇怪且常常反直觉的规则。我们熟悉的普通物质由原子组成，原子本身由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，每个都有其独特的内部结构。

当我们大多数人想到质子或中子的内部结构时，我们会想到决定它们性质的三个夸克，比如电荷、磁矩、质量等。最轻的粒子总是最稳定的，因为较重的粒子可以衰变成较轻的;因此，我们熟悉的普通物质由最轻的两个夸克组成：上夸克和下夸克，这并不奇怪。

上夸克的电荷为+2/3，下夸克的电荷为-1/3，生成质子（电荷为+1）的方法是将两个上夸克与一个下夸克结合（因为2/3 + 2/3 + -1/3 = +1），而中子（电荷为0）则是将两个下夸克与一个上夸克结合（因为-1/3 + -1/3 + 2/3 = 0）。

你需要三个夸克的原因在于强力的工作原理。强力使夸克能够形成束缚态，并遵守被称为量子色动力学的理论规则。在色动力学中，每个夸克都有“色荷”，每个胶子都被赋予一个“颜色-反色”组合。颜色可以是红色、绿色和蓝色，而反色则是它们在色轮上的对立色：青色、品红色和黄色。然而，唯一允许存在的稳定束缚态是整体完全无色的组合。

当每种颜色与其各自的反色配对时，形成无色组合;当三种颜色或所有三种反色结合时，也形成无色组合。因此，只有以下组合：

• 三夸克，
• 三个反夸克，
• 夸克-反夸克对，
• 或上述两种或更多组合，

可以作为束缚态被允许。上夸克和下夸克非常轻，但由于它们通过胶子交换结合在一起，束缚态的全部质量（例如质子或中子）可以相当大。结合能和静止质量能量一样是一种能量形式，它们都共同贡献了核子的质量。

但随后，我们需要问质子内部结构。探测方式是发射其他粒子：比如其他质子、光子或电子。电子可能是探测质子内部结构最纯粹的方式，因为：

• 它是一种基本的点粒子，而不是复合粒子，
• 它带有电荷，类似夸克，但没有色电荷，因此不能直接与胶子相互作用，
• 电子-夸克碰撞产生的碰撞后碎片可以在实验粒子物理中重建，
• 电子-夸克相互作用的物理可以在标准模型中以直观的方式理论计算。

此外，随着碰撞能量越来越高，我们观察到并注意到不同的效应。能量越高，相互作用的时间尺度和距离越短，使我们在确定质子内部结构时能变得越来越细致。

正是通过利用这些因素的实验，我们在过去45年左右重新定义了质子内部的状况，并且我们最近才发现：确实，通过深度非弹性散射实验，质子内部确实存在“不应该存在”的粒子，比如魅夸克。

在足够低的能量下，你看到的只是整个原子核本身。夸克直到20世纪下半叶才被发现，原因很简单：我们没有足够的能量让质子和中子相互碰撞（或其他粒子），从而揭示它们的内部结构。

然而，随着能量的提升，这些粒子内部结构的新现象开始出现。你首先能检测到质子内部结构的三个价夸克：两个上夸克和一个下夸克，赋予质子宏观性质。在这些能量下碰撞两个质子，几乎100%的碰撞都可以成功模拟为每个质子中三个价夸克中的一个之间的夸克-夸克碰撞。

但如果你进入更高能量，你会发现质子内部有更深、更复杂的结构。特别是，你首先会注意到质子内部有胶子，夸克-胶子碰撞，最终成为两个质子碰撞中最常见且最重要的相互作用类型。

尽管你可能认为，不仅仅是价夸克在质子内碰撞的概率;还有一种现象叫做“海夸克”。每当质子内部胶子交换时，胶子自发发生的概率是有限的、非零的：

• 转换为夸克-反夸克对，
• 通过质子中价夸克之间的内部空间传播，
• 重新组合成胶子，
• 然后完成与另一个价夸克的交换。

我们更常认为海森堡的不确定性原理适用于空旷空间：粒子-反粒子对可以在量子真空中随意出现或消失，只要它们存在的时间长度符合能量-时间不确定性关系。

但随着我们对宇宙的量子理解，我们认识到每个量子都有有限且非零的概率经历我们称之为辐射修正和环路的现象：粒子可以释放玻色子，或者玻色子分裂成粒子-反粒子对后再重新组合。在低能量和/或碰撞次数较少的情况下，我们不太可能看到这样的事件。但如果将大量高能事件加起来，这些相互作用的证据就会逐渐积累。

胶子——那些在质子内部“分裂”成粒子-反粒子（夸克-反夸克）对的粒子——是无质量的，但并非无能量。事实上，三个价夸克的结合能负责质子质量的~98+%，这些能量分布在质子的所有组成部分：价夸克、胶子，以及由此延伸到海夸克。

大多数情况下，海夸克（和反夸克）只是上下夸克（和反夸克）的成对，因为它们是所有夸克中静止质量最低的夸克（和反夸克），每个夸克的质量都不到质子质量的1%。奇夸克（和反夸克）是夸克中第三轻的，但重量要重得多：它大约占质子质量的10%，这意味着奇夸克-反夸克对大约占质子静止质量的20%。

记住，只要有足够的能量，总可以通过爱因斯坦最著名的方程构造粒子-反粒子对：E = mc².在质子内部强力相互作用产生的海夸克中，有时奇异夸克（和反夸克）也会出现在较常见的起伏中，这一点并不令人惊讶。

但更令人惊讶的是，正如2022年的一项研究所示，魅惑夸克也存在其中。毕竟，魅惑夸克——夸克中第四轻——质量约为质子质量的136%。胶子从未拥有质子总能量的一部分，分裂成魅-反粲对应是能量上的禁止;因为能量根本不足E = mc²让它成真。

然而，事实证明，这并不是你可能预期的致命缺陷。当我们能量探测质子内部时，确实存在一片内部粒子海洋，但这片海洋的深度和密度没有极限。你与质子的能量相互作用越高——记住，高能量对应于短波长、短距离和短时间尺度——这片内部粒子海洋越密看起来是这样。

但即使这种相互作用揭示了魅夸克的存在，也不一定意味着我们找到的魅夸克本质上是质子的一部分。我们必须注意，当我们探测到质子内部的粒子时，它不是因为能量相互作用的余波而被探测到，而是因为粒子本身是质子本身的内在特征。

只要产生的魅-反魅对是虚的（即胶子部分时间作为夸克-反夸克对的结果），这就不应让我们感到惊讶。事实上，观察非常小尺度的短时间相互作用，使我们能够通过海森堡不确定性原理暂时从能量-时间不确定性关系中借取一些额外能量。只要这些额外能量允许产生魅-反魅对——或者说，底部-反底部和/或顶部-反顶对——它们就应该存在。事实上，从量子色动力学的物理学中，我们可以确定如果以某种方式改变底夸克或顶夸克的质量，质子的质量会相应地发生变化。

但是但这个说法不同，尽管是发表于享有盛誉的《期刊》自然这并不像我们希望的那样是绝对的确定。这是我们检测到的魅力场是额外的：除了这些产生海夸克的微扰QCD效应应存在的魅力场之外。换句话说，他们声称发现质子中存在某种“额外的魅力”，源自价夸克和胶子。而这个说法，完全依赖于汇总数据、机器学习、夸克内部分布函数模型，以及——我让你自己看看论文中的临界数据，下面。

关于质子中“比你对虚拟生成预期更多的魅力夸克”的说法，基于上述蓝色点比绿色点更符合数据。

但它们真的是吗？如果是，这种差异有多大？

第一个问题的答案是“是的”，蓝点更符合数据。但其重要性并未达到通常宣布粒子物理发现所需的五西格玛水平;它仅仅涉及三西格玛效应，或者仍有很大概率是偶然的现象。事实上，在粒子物理学中，大多数被检测到的三西格玛效应最终被证实是偶然，而非新发现。这是否真实或偶然值得进一步调查，但不应轻易认为质子本身就“特别有趣”。这也强调了LHCb合作的重要性，如果提议的资金削减持续下去，我们可能会得不到什么.

这是一个非常困难的问题，因为我们讨论的是虚粒子，而理论中很难准确计算某些数量。虚粒子不受真实粒子的硬性规则限制：它们有本质不确定性质，包括质量和能量。而“真正的”魅夸克的具体质量总是比质子大136倍，而这些由胶子产生的虚拟魅夸克可以吸收任何质量，甚至包括负值！

这个主张最酷的地方在于，我们实际上正接近能够测量质子内部夸克的贡献，这些夸克源自胶子场，这些夸克源自量子色动力学。有可能——而且早期迹象表明确实如此——质子的内涵比我们迄今为止假设的更多。但正如常见的情况，这需要更多更好的数据，以及对最小、最高能量尺度物理的更深入理解！

请将你的“问伊桑”问题发送到 startswithabang 邮箱 gmail.com！

本文最初发表于2022年12月。2026年9月更新。

本文刊登于大思考.