质子内，有玄机
对称性是自然界中一个重要的基本结构，它不仅出现在数学和艺术之中，也出现在生命体和星系中。尤为物理学家感兴趣的是，有的物体看起来应该是对称的，但实际上却并不是，这种发现对称性被打破的感觉，就像是发现了一个物体在镜子里有着一个匪夷所思的镜像。
质子，是一种出现在每个原子中心的带正电荷的粒子。它与中子统称为核子，是原子核的组成部分，它们占宇宙可见物质的99%以上。过去一些与质子有关的研究不仅带来了许多新技术的发展（比如促进了癌症治疗的质子疗法），也同时加深了我们对恒星的形成和早期宇宙的理解。长期以来，物理学家都认为质子的组成部分应该是对称的，然而一项刚发表于《自然》的新研究，测量到了质子内的不对称性。
质子并不是基本粒子，它们是由更小的夸克和胶子组成。夸克有六种类型，或者说六种“味”，其中最轻的两种是上夸克和下夸克，也是最有可能在核子中发现的。
在许多质子“快照”中，你会看到质子中包含了3个价夸克：两个上夸克（电荷为+2/3）和一个下夸克（电荷为-1/3）。
常见的质子内部结构图。
然而，这幅图像所描述的画面还是过于简单了。实际上，质子内部还充斥着将夸克紧紧束缚在一起的胶子，以及在质子内部短暂出现又消失的夸克-反夸克对。
质子的内部实际上非常复杂。| 图片素材：Nature
物理学家起初认为，反上夸克和反下夸克在质子内的出现概率是相同的，换句话说他们认为反夸克是“味对称”的。这个图景一直持续到了上世纪90年代，出现了表明味对称可能会被打破的实验结果。
1970年，理论物理学家Sidney Drell和Tung-Mow Yan提出了一种可直接用来探测质子内部存在反物质的过程，这种过程后来被称为Drell-Yan过程。在这种过程中，一束质子被发射到一个靶原子上，质子束中的任何夸克或反夸克一旦与靶原子中与之对应的反粒子相遇，就会发生湮灭而产生虚光子。紧接着，虚光子会衰变成一对粒子，通常是一个电子和一个正电子，或者是一个μ子和一个反μ子。研究人员通过探测和分析产生的粒子对，就可以获取关于质子内的反上夸克和反下夸克的信息。
夸克湮灭的，产生一个虚光子，以及两个μ子。分析μ子对能够帮助我们了解质子中的夸克的味不对称。
1994年，物理学家在欧洲核子研究中心进行了第一个Drell-Yan实验——NA51实验，尽管实验只得到了一个数据点，但结果也展现出了不对称性：质子内的反下夸克比反上夸克多出50%。到了2001年，美国费米实验室的E866/NuSea实验获取了与NA51实验结果一致的数据。但这两项研究都具有较大的不确定性。
20年前，费米实验室的一队研究人员展开了一项新的Drell-Yan实验来对这一问题进行调查。现在，这项被称为E906/SeaQuest的Drell-Yan实验终于完成了。在这项实验中，研究人员搭建了一种新的测量μ子-反μ子对的实验装置，目的是再现和扩大E866/NuSea研究的价夸克分数动量的范围。这次，他们将质子束靶向了液态氢和液态氘。氢的原子核由单个质子组成，氘的原子核则包含一个质子和一个中子。当质子束击中氢或氘时，质子束中的夸克会与氢或氘中的反夸克发生湮灭，从而释放μ子。
与E866/NuSea实验相比，E906/SeaQuest在测量的数值精确度上有了显著的提升。新的结果明确地表明，反下夸克多于反上夸克，平均来说，每个反上夸克对应1.4个反下夸克。这是迄今为止得到的在质子中，反物质的概率分布的最佳结果。
过去，理论家提出过许多解释这种味不对称的可能性。新结果的精确度足以排除其中一些明显不对的模型。与此同时，它也让两种有潜力的理论模型脱颖而出。
一个是被称为“π介子云”的模型，这个模型强调的是质子发射和重新吸收π介子粒子的趋势。自上世纪40年代起，科学家就发现在原子内，质子和中子会来回传递π介子。于是有物理学家意识到，质子也可以短暂地发射一个带正电荷的π介子，紧接着将其快速重新吸收来变成一个中子。具体来说，质子变成一个中子和一个由一个上夸克和一个反下夸克组成的π介子。因为这个π介子有一个反下夸克，因此一些理论学家认为，“介子云”可用来解释在质子中测量到的反下夸克过剩。
另一个模型被称为统计模型，在这种模型中，质子被视作为一个充满了气体的容器，质子内部的粒子就像是气体分子，这些“气体分子”的运动速度取决于它们的角动量是整数还是半整数。当将这一模型调整到与从无数散射实验中得到的数据相匹配时，模型很好地预测出了反下夸克过量的情况。
不过，这两种模型并没有做出完全相同的预测。研究人员计划，接下来将通过实验来帮助物理学家从这两种模型中做出选择。但无论哪种模型是正确的，对于粒子物理学家来说，SeaQuest实验获得的结果都具有里程碑式的意义。此外，新结果中所呈现出的趋势与从E866/NuSea实验中观察到的存在不一致。物理学家表示，若要解释这种不一致性，未来的类似实验应该至少具有和E906/Seaquest相当的精度。
#创作团队：
文：小雨
插图：岳岳
#参考来源：
https://news.umich.edu/study-finds-unexpected-antimatter-asymmetry-in-the-proton/
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-02/dnl-nfm022321.php
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00430-3
https://www.quantamagazine.org/protons-antimatter-revealed-by-decades-old-experiment-20210224
#图片来源：
封面/首图：Brookhaven National Laboratory Graphical