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质子内部，我们从未真正理解过的复杂世界
质子，看似简单的原子核心成分，却充满着难以想象的复杂性。科学家通过不断改进实验手段，逐步揭开其内部结构，发现质子不只是一个由夸克构成的简单球体，而是一个不断变化、充满能量海和粒子对的动态世界。
尽管质子是原子核的基本成分，看似简单，但它的内部结构却异常复杂，至今仍未被科学家完全理解。
一百多年前，科学家发现了质子，并将其描述为具有正电荷的微小球体。后来，科学家又发现质子由三个基本的粒子——夸克组成。但随着研究的深入，科学家认识到，质子的世界远比想象的复杂。
麻省理工学院的物理学家迈克·威廉姆斯说：“质子是我们能想象到的最复杂的东西。事实上，你甚至无法想象它有多复杂。”质子是一个量子力学对象，直到实验对其进行测量，它才显现出具体的形态。而这些形态会根据实验方式的不同而发生巨大变化。
“我们才刚刚开始以完整的方式理解这个系统，”另一位麻省理工学院的核物理学家理查德·米尔纳说。随着研究的不断深入，质子的更多秘密不断被揭开。最近，一项庞大的数据分析发现，质子内部竟然含有比它本身还重的粲夸克。“质子一直让人类保持谦逊。每次你认为你掌握了它，它就会给你带来一些意想不到的转折。”
米尔纳最近与其他几位科学家合作，将数百个实验结果转化成一套动画，展示了质子不断变化的形状。我们也将其融入到这篇文章中，帮助您更好地理解质子的秘密。
质子：不止三个夸克
1967年，斯坦福直线加速器中心(SLAC)的实验发现了质子内部包含更多结构。在更早的实验中，科学家用电子轰击质子，观察它们像台球一样反弹。但在SLAC的实验中，电子以更大的能量轰击质子，反弹的方式发生了变化。电子以足够强的能量击碎了质子，并从质子内部的点状结构——夸克上反弹回来。
弗吉尼亚大学的物理学家肖晓超说：“这是夸克真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，也促使科学家对质子展开了更加深入的研究。迄今为止，物理学家已经进行了数百次散射实验。他们通过调整轰击质子的能量和选择收集的散射粒子来推断质子内部的结构。
强子-电子环形加速器(HERA)
1992年至2007年间，位于德国汉堡的强子-电子环形加速器(HERA)将电子轰击质子的能量提高了约一千倍。在HERA的实验中，物理学家可以选择那些从动量非常低的夸克上反弹的电子，包括动量只占质子总动量0.005%的夸克。他们发现，HERA的电子从低动量夸克和它们的反物质对应物——反夸克组成的漩涡中反弹回来。
这些结果证实了一个更复杂、更离奇的理论，该理论已经取代了盖尔曼-茨威格的夸克模型。这个理论是20世纪70年代发展起来的强子色动力学(QCD)，它描述了夸克之间相互作用的强力。
质子内部的胶子海
根据QCD，胶子可以吸收瞬间的能量峰值。利用这些能量，胶子会分裂成一个夸克和一个反夸克，然后再相互湮灭消失。HERA由于对低动量粒子的敏感性，直接探测到了这种由瞬态胶子、夸克和反夸克组成的“海”。
HERA还发现了质子在更强大的对撞机中会呈现出什么样的形态。当物理学家调整HERA来寻找更低动量的夸克时，这些来自胶子的夸克越来越多。结果表明，在更高能量的碰撞中，质子会像一朵几乎完全由胶子组成的蒲公英。
质子内部的粲夸克
最近，荷兰国家亚原子物理研究所和阿姆斯特丹自由大学胡安·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，利用机器学习推断出质子内部夸克和胶子的运动，从而绕开了理论猜测。
新的分析发现，在过去的实验中，研究人员忽略了一些图像背景模糊的部分。在刚刚打开质子的相对较弱的碰撞中，大部分动量都集中在三个普通的夸克上：两个上夸克和一个下夸克。但有一小部分动量似乎来自粲夸克和粲反夸克——这两个巨大的基本粒子都比整个质子重三分之一以上。
未来研究
罗霍的团队计划继续探索质子，寻找粲夸克和反夸克之间的不平衡。更重的成分，如顶夸克，可能会出现得更稀少，更难以探测。
下一代实验将寻求更多未知的特性。布鲁克海文国家实验室的物理学家希望在2030年代启动电子-离子对撞机，并从HERA的成果基础上继续研究，拍摄更高分辨率的快照，实现质子的首次3D重建。电子-离子对撞机还将利用自旋电子来创建内部夸克和胶子的自旋详细图，就像SLAC和HERA绘制它们的动量一样。这应该有助于研究人员最终确定质子的自旋起源，并解决有关构成我们日常世界大部分物质的这个令人困惑的粒子其他基本问题。
结语
质子是构成原子核的基本粒子，也是我们日常世界中常见物质的重要组成部分。然而，质子内部的结构却异常复杂，即使在现代物理学理论的框架下，也仍然存在许多未解之谜。科学家们通过不断改进实验手段，逐步揭开质子的秘密，为我们理解物质的基本结构和相互作用提供了重要的线索。
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。