人们在质子内部发现了比质子本身更重的粲夸克。这是怎么回事？

20世纪，我们仍在探索物质的结构。我们知道万物皆由原子构成，原子内部有带负电的电子，但原子的其他部分仍然是个谜。在过去的125年里，我们逐渐了解到，每个原子都由一个体积小、质量大、带正电的原子核构成。原子核本身由核子——质子和中子——组成，而每个核子又由夸克和胶子构成。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。

但夸克还有四种基本类型：奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，其中后三种的质量都比质子本身大。那么，这种比质子质量还大的粒子，怎么可能存在于质子内部呢？我们的Patreon 支持者Aaron Weiss 就想知道这个问题，他问道：

“质子中怎么会有粲夸克？我以为粲夸克比质子质量大，这怎么可能？‘重夸克也作为质子波函数的一部分存在’（如本文所述）是什么意思？”

这是一个发人深省的问题，它促使我们从根本上重新思考物质在微观尺度上的行为方式。让我们深入探讨一下！

从基本层面来说，我们理解宇宙中存在的一切都由基本的、不可分割的量子构成：这些粒子遵循着奇特且常常违反直觉的量子物理学规则。我们所熟悉的普通物质是由原子构成的，原子本身又由原子核和电子构成，原子核又由质子和中子组成，每个粒子都有其独特的内部结构。

当我们大多数人思考质子或中子的内部结构时，我们首先想到的是决定其电荷、磁矩、质量等性质的三种夸克。最轻的粒子总是最稳定的，因为较重的粒子会衰变成较轻的粒子；因此，我们所熟悉的普通物质是由最轻的两种夸克——上夸克和下夸克——构成的，也就不足为奇了。

上夸克每个带+⅔的电荷，下夸克每个带-⅓的电荷，质子（带+1的电荷）的形成方法是将两个上夸克与一个下夸克结合（因为⅔ + ⅔ + -⅓ = +1 ），而中子（带0的电荷）的形成方法是将两个下夸克与一个上夸克结合（因为-⅓ + -⅓ + ⅔ = 0）。

单个质子和中子是无色粒子：这是当今宇宙中唯一允许存在的夸克态。虽然强力是由无质量的（胶子）粒子传递的，但存在于各个束缚态之间的唯一作用力是由介子产生的，而介子本身质量都相当大，这极大地限制了强力的作用范围。单个夸克无法直接观测，但诸如π介子之类的“剩余”力载体可以直接观测。

之所以需要三个夸克，是因为强相互作用力的运作方式。强相互作用力使得夸克能够形成束缚态，并遵循一种被称为量子色动力学的理论规则。在色动力学中，每个夸克都有一个“色荷”，每个胶子都有一个“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应颜色：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上完全无色的组合。

每种颜色与其对应的反色组合在一起，都会形成无色组合；三种颜色或三种反色组合在一起，也会形成无色组合。因此，只有以下组合才能产生有色组合：

• 三个夸克，
• 三个反夸克，
• 夸克-反夸克对，
• 或以上两种或多种的组合，

上下夸克作为束缚态是允许存在的。上夸克和下夸克质量很轻，但由于它们通过胶子的交换结合在一起，因此整个束缚态（例如质子或中子）的质量可以相当大。结合能与静止质量能一样，都是一种能量形式，它们共同构成核子的质量。

质子的内部结构非常复杂，不仅由构成质子的三个夸克构成，还包含胶子、内部场以及所有由基本力及其与物质相互作用产生的虚粒子和微扰粒子。

但是，接下来我们需要探究像质子这样的粒子的内部结构。探测这种结构的方法是向它发射其他粒子：例如其他质子、光子或电子。电子或许是探测质子内部结构最纯粹的方式，因为：

• 它是基本的点粒子，而不是复合粒子。
• 它像夸克一样带有电荷，但没有色荷，因此不能直接与胶子相互作用。
• 在实验粒子物理学中，可以重建电子-夸克碰撞后产生的碰撞碎片。
• 在标准模型框架内，电子-夸克相互作用的物理性质可以通过简单的理论计算得出。

此外，随着碰撞能量的不断提高，我们观察到并注意到了一些不同的效应。更高的能量对应于更短的相互作用时间尺度和距离，这使我们能够更精细地确定质子等粒子的内部结构。

正是通过利用这些因素的实验，我们在过去 45 年左右的时间里修正了我们对质子内部情况的认识，并且我们最近通过一项深度非弹性散射实验发现，质子内部有时确实存在一些“不应该存在”的粒子，例如粲夸克。

随着实验和理论计算的不断进步，我们对质子的理解也日趋深入，胶子、海夸克和轨道相互作用等因素都发挥了作用。然而，质子由三种不同颜色的价夸克构成的这一基本概念始终是其中不可或缺的一部分。

在足够低的能量下，我们用粒子撞击质子和中子时，只能看到原子核本身。夸克直到20世纪下半叶才被发现，原因很简单：我们当时用的能量不足以让质子和中子相互碰撞（或与其他粒子碰撞），从而揭示它们的内部结构。

然而，随着能量的增加，这些粒子的内部结构开始出现新的现象。首先可以探测到的质子内部结构是三个价夸克：两个上夸克和一个下夸克，它们赋予质子宏观性质。在这些能量下，两个质子发生碰撞，几乎100%的碰撞都可以成功地模拟为每个质子中三个价夸克之一之间的夸克-夸克碰撞。

但如果你进一步提高能量，就会发现质子内部存在更深层、更复杂的结构。特别是，你会开始注意到质子内部存在胶子，夸克-胶子碰撞，最终以及胶子-胶子碰撞，会成为两个质子碰撞时最常见、最重要的相互作用类型。

强力之所以能够发挥作用，是因为“色荷”的存在以及胶子的交换，它正是维系原子核的力。这种由大质量胶子交换支配的力，其速度受限于光速；在黑洞的事件视界内部，这种力根本无法阻止任何外部粒子到达中心奇点。

尽管你可能认为只有价夸克会影响质子内部夸克碰撞的概率，但实际上并非如此；还有一种被称为“海夸克”的现象。每当质子内部发生胶子交换时，胶子都会以有限的非零概率自发地：

• 转化为夸克-反夸克对，
• 在质子价夸克之间的内部空间中传播，
• 重新结合形成胶子，
• 然后与另一个价夸克完成交换。

我们通常认为海森堡不确定性原理适用于空的空间：粒子-反粒子对可以从量子真空中产生和消失，只要它们存在的时间量符合能量-时间不确定关系。

但我们对宇宙的量子理解也意味着，每个量子粒子都有有限的、非零的概率经历我们称之为辐射修正和环路的过程：粒子要么释放出一个玻色子，要么玻色子分裂成一个粒子-反粒子对后再重新复合。在低能量和/或碰撞次数较少的情况下，我们不太可能观测到这种事件。但如果累积大量的高能事件，这些相互作用的证据就会开始积累。

尽管胶子通常被想象成弹簧，但重要的是要认识到它们带有色荷：一种色-反色组合，能够改变发射或吸收它们的夸克和反夸克的颜色。静电斥力和强核力的共同作用赋予了质子特定的尺寸，而夸克混合的特性则是解释宇宙中各种自由粒子和复合粒子的必要条件。

图片来源：APS/Alan Stonebraker

现在，胶子——在质子内部将粒子“分裂”成粒子-反粒子（夸克-反夸克）对的粒子——没有质量，但并非没有能量。事实上，三个价夸克的结合能贡献了质子约98%以上的质量，而这种能量又分配给了质子的所有组成部分：价夸克、胶子，以及由此延伸出的海夸克。

大多数情况下，海夸克（和反海夸克）只是成对出现的上夸克和下夸克（和反上夸克），因为它们是所有夸克（和反夸克）中静止质量最小的，每个夸克的质量不到质子的1%。奇异夸克（和奇异反奇异夸克）是第三轻的夸克，质量要大得多：它的质量约为质子的10%，这意味着一个奇异夸克-反奇异夸克对的质量约占质子静止质量的20%。

只要能量充足，记住，总能通过爱因斯坦最著名的方程式E = mc²产生粒子-反粒子对。因此，在质子内部强相互作用产生的海夸克中，偶尔也会出现奇异夸克（和反夸克），这并不令人惊讶。

质子并非仅仅由三个夸克和胶子组成，其内部蕴含着大量的粒子和反粒子。我们对质子观测得越精确，进行深度非弹性散射实验的能量越高，就越能发现质子内部的亚结构。质子内部的粒子密度似乎没有上限；随着碰撞能量的增加，粒子密度也无限增长。

图片来源：Jim Pivarski/费米实验室/CMS合作项目

但更令人惊讶的是，正如2022年的一项研究表明，粲夸克也存在于其中。毕竟，粲夸克——夸克中第四轻的——质量约为质子质量的136%。对于能量永远只有质子一部分的胶子来说，分裂成粲夸克-反粲夸克对在能量上应该是禁忌的；E=mc²提供的能量根本不足以促成这种分裂。

然而，事实证明，这并非你想象中的致命缺陷。当我们用高能探测质子内部时，会发现其中确实存在着大量的内部粒子，但这个粒子海洋的深度和密度并没有上限。你与质子相互作用的能量越高——记住，高能量对应于短波长、短距离和短时间尺度——这个内部粒子海洋的密度似乎就越高。

但即便这种相互作用揭示了粲夸克的存在，也并不一定意味着我们发现的粲夸克是质子固有的组成部分。我们必须谨慎，当我们探测到质子内部的粒子时，它并非高能相互作用的产物，而是质子本身固有的粒子。

两个粒子的碰撞会导致带电粒子非常接近，从而使我们能够检验各种力定律的本质。当两个质子碰撞时，不仅构成它们的夸克会发生碰撞，海夸克、胶子以及更进一步的场相互作用也会发生碰撞。所有这些都能提供关于各个粒子自旋的信息，并且如果达到足够高的能量和亮度，我们甚至有可能创造出新的粒子。这是寻找新的基本相互作用的一种方法。

图片来源：CERN/CMS合作项目

只要产生的粲夸克-反粲夸克对是虚夸克对（即，胶子部分时间以夸克-反夸克对的形式存在），这就不足为奇了。事实上，通过观察极小尺度、短时间的相互作用，我们可以利用海森堡不确定性原理，暂时从能量-时间不确定关系中借用一些额外的能量。只要这些额外的能量能够产生粲夸克-反粲夸克对——或者，就此而言，底夸克-反底夸克对和/或顶夸克-反顶夸克对——它们就应该存在。事实上，从量子色动力学的物理学角度来看，我们确信，如果我们以某种方式改变底夸克或顶夸克的质量，质子的质量也会随之发生变化。

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但这项特殊的论断有所不同，尽管发表在权威期刊《自然》上，却并不像我们希望的那样确凿无疑。它声称我们探测到的粲场是额外的：除了由产生海夸克的微扰QCD效应产生的粲场之外，还存在其他粲场。换句话说，他们声称在质子中发现了由价夸克和胶子产生的“额外粲”。而这项论断的成败，取决于一系列数据的综合运用、机器学习、内部夸克分布函数的模型，以及……嗯，论文中的关键数据就在下面，您可以自己查看。

质子内部是否存在比胶子场产生的粲-反粲粒子更多的粲特性？灰色数据点需要被证明与蓝色数据点比与绿色数据点更吻合。目前的数据具有一定的启发性，但尚不足以得出结论。

图片来源：NNPDF合作组，《自然》杂志，2022年

声称“质子中粲夸克的数量比你从这种虚拟对产生过程中预期的数量要多”，是基于上面的蓝点比绿点更符合数据这一假设。

但它们真的如此吗？如果真是如此，那么二者之间的差异有多大？

第一个问题的答案是“是的”，蓝色点与数据的拟合度更高。但其显著性并未达到粒子物理学中通常宣布一项新发现所需的五西格玛水平；它仅相当于三西格玛效应，或者说，仍有相当大的可能是偶然现象。事实上，在粒子物理学中，大多数探测到的三西格玛效应最终都被证实是偶然现象，而非新发现。这究竟是真实存在还是偶然现象值得进一步研究，但目前还不应就此断定质子本质上具有“超粲”性质。这也凸显了LHCb合作组的重要性，以及如果拟议的经费削减持续下去，我们将面临无法获得哪些重要信息的风险。

这是一个非常棘手的问题，因为我们讨论的是虚粒子，而这个理论中的某些物理量很难精确计算。虚粒子不受真实粒子那些一成不变的规则约束：它们本质上具有不确定性，包括质量和能量。一个“真实”的粲夸克始终具有一个比质子大136%的特定质量，而这些由胶子产生的虚粲夸克可以具有任何质量，甚至包括负值！

这项论断最令人兴奋的地方在于，我们实际上已经接近能够测量质子内部夸克的贡献，这些夸克是由量子色动力学引起的胶子场产生的。质子可能比我们目前所假设的更加复杂——而且早期迹象表明确实如此。但是，正如我们经常看到的那样，要确定这一点，还需要更多更好的数据，以及对最小、最高能量尺度物理学更深入的理解！