数十年之久的探索揭示了质子内部反物质的细节

经常提到的是，质子（位于原子中心的带正电的物质）是反物质的一部分。

我们在学校里了解到，质子是由三个基本粒子组成的束，称为夸克-两个“上”夸克和一个“下”夸克，它们的电荷（分别为+2/3和-1/3）结合起来形成质子收费+1。但是，这个简单的画面掩盖了一个陌生但尚未解决的故事。

实际上，质子的内部以六种夸克的数量波动，它们的带相反电荷的反物质对应物（反夸克）和将彼此结合在一起的“胶子”粒子变形，使其变形并易于繁殖。不知何故，起伏的漩涡完全稳定且表面上很简单-在某些方面模仿了三重夸克。伊利诺伊州阿贡国家实验室的核物理学家唐纳德·盖萨曼（Donald Geesaman）说：“坦白讲，这一切都是奇迹。”

30年前，研究人员发现了这种“质子海”的显着特征。理论家曾期望它包含各种不同类型的反物质。相反，下降的夸克似乎大大超过上升的夸克。然后，十年后，另一个小组看到了上下反夸克比率令人费解的暗示。但是结果恰好在实验灵敏度的边缘。

因此，二十年前，吉萨曼（Geesaman）和他的同事保罗·雷默（Paul Reimer）着手进行一项新的实验以进行调查。那个名为SeaQuest的实验终于完成了，研究人员今天在《自然》杂志上报告了他们的发现。他们比以往任何时候都更详细地测量了质子的内部反物质，发现每个上升反夸克平均有1.4个下降反夸克。

数据立即支持了质子海的两个理论模型。 Reimer说：“这是支持那些已经出现的模型的第一个真实证据。”

一种是“介子云”模型，这是一种流行的，已有数十年历史的方法，它强调了质子发射和重新吸收称为介子的粒子的趋势，这种粒子属于一组称为介子的粒子。另一个模型，即所谓的统计模型，将质子像装满气体的容器一样对待。

计划未来的实验将帮助研究人员在两张照片之间进行选择。但是，无论哪种模型是正确的，Seaquest关于质子内部反物质的硬数据都将立即有用，特别是对于欧洲大型强子撞机几乎光速粉碎质子的物理学家。当他们确切地知道碰撞物体中的内容时，他们可以通过碰撞碎片更好地寻找新粒子或效果的证据。 Vu University Amsterdam的Juan Rojo有助于分析LHC数据，表示Seaquest测量“可能会对新物理学的搜索产生重大影响，目前”通过我们对质子结构的了解有限，特别是其反物质结构。“

在大约半个世纪前的短暂期前，物理学家认为他们有质子排序。

1964年，Murray Gell-Mann和George Zweig独立地提出了被称为夸克模型的想法 - 质子，中子和相关rarer颗粒是三种夸克束（如Gell-Mann被称为它们），而这些薄膜和其他介子由一个夸克和一个古董制成。该方案使得从高能粒子促进剂喷涂的颗粒的心电图，因为它们的电荷谱都可以由两组和三部分组成。然后，大约1970年，斯坦福的SLAC加速器的研究人员似乎在质子上拍摄高速电子时，王室似乎胜利确认夸克模型，并在内部的物体上脱离电物体。

但图片很快就成长了。 “随着我们越来越多地试图衡量这三种夸克的财产，我们发现还有一些额外的事情发生了，”费米国家加速器实验室的80岁的Seaquest团队成员80岁的Seaquest团队成员自20世纪70年代以来，谁在夸克实验上工作。

三个夸克势头的审查表明，他们的群众占质子总质量的一小部分。此外，当SLAC射击质子上的电子时，研究人员看到了在里面的更多东西的电子。电子的越快，它们的波长越短，这使它们对质子的更细粒度的特征使它们敏感，好像他们催化了显微镜的分辨率。越来越多的内部颗粒被揭示，似乎没有限制。 Geesaman说，没有最高分辨率的“我们所知”。

结果开始越来越有意义，因为物理学家制定了夸克模型的真实理论，即夸克模型近似：量子色动力学或QCD。在1973年制定，QCD描述了“强大的力量”，是最强大的力量，其中颗粒称为胶合的夸克。

QCD预测观察到散射实验的Maelstrom。出现并发症是因为胶合感受到他们携带的力量。 （它们以这种方式与携带更简单的电磁力的光子不同。）这种自我交易在质子内产生巨大的泥浆，使镀氯自由地引发，增殖和分成短暂的夸克 - 古夸克对。从远处，这些紧密间隔，相反的充电的夸克和古董抵消并没有被注意到。 （只有三个不平衡的“价值”夸克 - 两个UPS和下降 - 有助于质子的整体费用。）但物理学家意识到当他们在更快的电子中射击时，他们正在击中小目标。

自交易胶子通常使QCD方程无法求解，因此物理学家无法（而且仍然不能）计算该理论的精确预测。但是他们没有理由认为胶子应该比另一种更频繁地分裂成一种夸克-反夸克对-向下类型。西雅图大学的核理论家玛丽·艾尔伯格（Mary Alberg）表示：“我们希望两者的产量相等。”

因此，当1991年在日内瓦举行的新Muon合作会分散了μ子，较重的电子兄弟姐妹，质子和氘核（由一个质子和一个中子组成）时，比较了结果，并得出结论说，倒夸克的数量多于升夸克的数量时所产生的震惊。夸克似乎在质子海中四处飞溅。

理论家很快提出了许多可能的方式来解释质子的不对称性。

一个涉及介子。自1940年代以来，物理学家就已经看到质子和中子在原子核内来回穿过介子，就像队友互相扔篮球一样，这种活动有助于将它们连接在一起。在研究质子时，研究人员意识到它还可以将篮球扔向自己-也就是说，它可以短暂地发射并重新吸收带正电的介子，同时变成中子。阿尔伯格说：“如果您正在做实验，并且认为自己在看质子，那是在自欺欺人，因为有时候质子会波动到这对中子对子中。”

具体来说，质子会变成一个中子和一个由一个上夸克和一个向下的反夸克构成的介子。由于这种幻影的介子具有向下的夸克（包含向上的夸克的介子不易实现），因此诸如Alberg，Gerald Miller和Tony Thomas之类的理论家认为，介子云的想法解释了质子测得的向下的夸克余量。

也出现了其他一些争论。法国的Claude Bourrely和合作者开发了一种统计模型，该模型将质子的内部粒子视为房间中的气体分子，并以取决于它们是否具有整数或一半整数的角动量的速度分布进行鞭打。当进行调整以适合来自大量散射实验的数据时，该模型会发现反倒夸克过量。

这些模型没有做出相同的预测。质子的总质量大部分来自突入和离开质子海的单个粒子的能量，这些粒子带有一系列能量。当您计算携带更多能量的反夸克时，模型对上下夸克的比例应如何变化做出了不同的预测。物理学家测量了一个相关的量，称为反夸克的动量分数。

当Fermilab的“Nusea”实验时，在1999年以古董势头的函数测量下降比率，他们的答案“只是点亮了每个人，”Alberg召回。这些数据表明，古老乐队的动力充足 - 事实上，他们在装置的末尾是正确的，古董突然变得比下降更普遍。 “每个理论家都说，'等一分钟，'”艾尔伯格说。 “为什么，当那些古董获得势头的更大份额时，这种曲线是否会开始翻身？”

由于理论家划伤了他们的头，Geesaman和Reimer，他们在Nusea上工作并知道边缘的数据有时是不值得信赖的，所以建立一个可以舒适地探索更大的古老动力范围的实验。他们称它为Seaquest。

关于质子的问题，但现金短缺，他们开始将实验组装出来的二手零件。 “我们的座右铭是：减少，重用，回收，”Reimer说。

他们从Los Alamos国家实验室的剩下的粒子探测器中获取了一些来自汉堡的旧闪烁体，并在20世纪50年代在哥伦比亚大学的回旋加速器中使用辐射阻挡铁板。他们可以重新保证Nusea的房间尺寸的磁铁，并且他们可以从Fermilab现有的质子加速器上运行他们的新实验。 Frankenstein集会并非没有魅力。蜂鸣器指示质子在其设备中流入其返回五十年时，棕色，棕色，有助于找到所有的碎片。 “当它发出哔哔声时，它会给你一个温暖的感觉。”

他们逐渐得到它。在实验中，质子袭击了两个靶标：一大瓶氢，其基本上是质子的，以及一瓶氘 - 原子，其中核中的一个质子和一个中子。

当质子击中目标时，其价夸克之一有时用目标质子或中子中的一个古董湮灭。 “当歼灭发生时，它具有独特的签名，”Reimer说，产生了一个笨蛋和抗菌。这些颗粒以及在碰撞中产生的其他“垃圾”，然后遇到那些旧铁板。 “苗可以经历;其他一切都停止了，“他说。通过检测另一侧的μONs并重建原始路径和速度，“您可以向后工作，以解决古董携带的动力分数。”

因为质子和中子彼此反映 - 每个都有up型粒子代替另一个下型粒子，反之亦然 - 比较来自两个小瓶的数据直接指出了古董的比率 - 直接在质子中提出古董，即经过20年的工作。

在2019年，Alberg和Miller根据中介云的想法计算了SeaQuest应该观察的内容。他们的预测与新的SeaQuest数据非常匹配。

新数据显示出逐渐上升，然后达到稳定的上下比率，而不是突然逆转，这也与Bourrely和公司更为灵活的统计模型相符。然而，米勒称这种竞争模型“具有描述性，而不是预测性”，因为它经过调整以适合数据而不是识别倒夸克过量背后的物理机制。相比之下，“我为我们的计算感到非常自豪的是，这是一个真实的预测，”阿尔伯格说。 “我们没有拨打任何参数。”

布尔里（Bourrely）在一封电子邮件中辩称，“统计模型比Alberg和Miller的模型更强大”，因为它考虑了散射实验，在该实验中，粒子既被极化又未被极化。米勒坚决不同意，并指出介子云不仅解释了质子的反物质含量，而且解释了各种粒子的磁矩，电荷分布和衰变时间，以及“所有核的束缚，因此存在”。他补充说，介子机制“从广义上说，为什么存在核，为什么存在核很重要。”

在最终了解质子的过程中，决定因素可能是其自旋或固有角动量。在1980年代后期进行的μ子散射实验表明，质子的三个价夸克的自旋不超过质子总自旋的30％。 “质子自旋危机”是：其他70％是由什么引起的？费米实验室的老布朗再次表示，“还有其他事情要做。”

在费米实验室，最后在布鲁克海文国家实验室计划的电子对撞机上，实验人员将探测质子海的旋转。 Alberg和Miller已经在研究围绕质子的完整“介子云”，其中包括与介子一起使用的稀有“ rho介子”。介子不具有自旋，而rho介子却具有，因此它们必须以Alberg和Miller希望确定的方式对质子的整体自旋做出贡献。

布朗说，费米实验室（Fermilab）的SpinQuest实验涉及“与SeaQuest相同的人员和零件”，“几乎准备就绪”。 “幸运的是，我们将于今年春季收集数据；这将至少在某种程度上取决于抗病毒疫苗的进展。一个令人难以置信的问题是，这个深深而模糊的原子核取决于这个国家对COVID病毒的反应。我们都是相互联系的，不是吗？”