新研究表明，质子里可能有内在的粲夸克

质子是三种较轻粒子即夸克的混合体，由两种上夸克和一种下夸克组成。但物理学家几十年来一直猜测，质子也可能包含更重的夸克，即“内在”粲夸克(Charm quark)。8月18日发表在《自然》杂志上的一项新分析支持了这一观点。

粲夸克比上夸克和下夸克重得多。重到让人难以置信的程度，阿姆斯特丹自由大学的理论物理学家Juan Rojo说，粲夸克的质量甚至比质子本身的质量还要大。

Rojo和同事结合了各种实验结果和理论计算，希望揭示质子假设的粲性质。Rojo说，测量这一特性对于充分理解宇宙中最重要的粒子之一至关重要。

物理学家知道，你越深入地探究质子，它就越复杂。当在高能量下观察，如在粒子加速器如大型强子对撞机(LHC)附近的碰撞中，质子会包含各种短暂的夸克和它们的反物质对应物——反夸克。这种“外在”夸克是在胶子(帮助将夸克粘在一起的粒子)分裂成夸克-反夸克对时产生的。

外在夸克与质子的身份无关。它们只是胶子在高能量下如何行为的结果。但是粲夸克可能在低能量下甚至在质子内部以更持久、更深层的形式存在。

在量子物理学中，粒子在被测量之前不会处于确定状态，而是由概率描述。如果质子包含内在粲性质，那么在质子中发现的可能性就不仅仅是两个上夸克和一个下夸克，还有一个粲夸克和反夸克。

由于质子不是由单个粒子组成的，质子的质量不是其部分的简单总和。小概率意味着粲夸克和反夸克的全部质量不会被添加到质子的质量中，这解释了质子如何可能包含比它自身更重的粒子。

使用来自LHC和其他粒子加速器的数千个测量结果，以及理论计算，该团队在统计水平为3西格玛的水平上找到了质子内在粲性的证据。研究人员报告说，内在粲夸克占质子动量的约0.6%。

但是通常需要5西格玛才能得出确切的结果。加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的理论物理学家Ramona Vogt在为《自然》杂志撰写的该研究的透视文章中说：“数据和分析还不足以从‘内在粲性的证据’变为‘内在粲性的发现’”。

更重要的是，定义“内在粲性”并不简单，这使得将新发现与来自不同团体的早期结果进行比较变得混乱。

“以前的研究部分是因为它们使用了不同的定义和方案，所以对内在粲性的限制不同，”理论物理学家 Wally Melnitchouk 说。

值得注意的是，新分析纳入了 LHCb 合作小组的结果，该小组在 2 月 25 日的《物理评论快报》上报告了与质子内在粲性潜在一致的测量结果。

“真正新的东西是将这些数据纳入分析，”理论物理学家 C.-P. Yuan 说。但是，Yuan 对用于解释数据的计算类型有保留意见。“这不是我们今天所说的最先进的分析。”

科学家们需要确定质子内在粲性质的含量，以便更好地理解 LHC 和其他将质子撞在一起并观察结果的设施的结果。研究人员必须能够评估他们碰撞的对象的内部情况。

未来的加速器，如计划中的电子-离子对撞机，可能会提供帮助，理论物理学家 Tim Hobbs 说。但就目前而言，质子仍然是一个谜。“问题仍然存在；它仍然非常具有挑战性。”

本文译自 sciencenews，由 BALI 编辑发布。