北京
质子——构成原子核的核心粒子——有着比我们过去所知更为复杂的量子内部结构。这一发现正在颠覆物理学家对质子的传统认知。 长久以来，科学家已知质子由更小的夸克和胶子构成，但夸克与胶子在质子内部的行为和分布细节始终难以精确刻画。这些细节至关重要：我们对质子内部的理解越深，就越能准确解读高能粒子对撞实验的结果，而这类实验正是寻找新粒子和探索基本作用力秘密的关键途径。 目前，物理学家描述质子内部结构最成熟的数学工具是“部分子模型”。它可以概率性地计算质子内部各种粒子的密度分布，帮助研究人员预判加速器实验中质子最可能的组成形态。 “部分子模型极其强大，它几乎是我们了解质子内部结构的一切知识来源。但如果审视其现代形态，你会发现它背后的图像其实非常经典。”马德里康普顿斯大学的物理学家阿列克谢·弗拉基米罗夫说，“这当然是不对的，因为我们知道量子力学是存在的。” 早在20世纪80年代，研究人员就开始从理论上预测并在实验中寻找质子内部的量子效应。但多年来的实验数据结果模糊，甚至有时彼此矛盾。 为了获得更清晰的图像，弗拉基米罗夫与同事将目标聚焦于一个标志性的量子过程——干涉。量子粒子具有波动性，干涉意味着两列量子物质波在某些空间相互增强，而在另一些空间相互抵消。在经典概率论中，两个概率相加就是简单的和；但当干涉存在时，合并它们会产生比简单加和更多的数学项。 研究团队设计了一种方法，从质子内部夸克与胶子参与的干涉过程中提取可观测信号。他们发现，这些干涉效应不仅存在，而且能够显著改变部分子模型对质子内部结构的预测。这一结果意味着，质子内部的量子“纠缠”比以往任何模型所展示的都更为丰富。 “我们终于看到质子内部并不是一袋平静的经典小球，而是一个充满量子干涉的动态世界。”弗拉基米罗夫表示。 这项研究不仅深化了基础物理的理解，也将为未来高能对撞实验的数据分析提供更精确的理论框架。随着更多数据积累，质子的量子内幕或许还将继续带来新的惊喜。
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