物理学最前沿,数十年的探索揭示了质子内部反物质的细节

 天顺注册招商   2021-04-03 07:53   12 人阅读  0 条评论
原标题:物理学最前沿,数十年的探索揭示了质子内部反物质的细节

物理学最前沿,数十年的探索揭示了质子内部反物质的细节  第1张

20年前,物理学家开始研究质子内部的一种神秘的不对称性。他们的研究结果在最近发表了,展示了反物质如何帮助稳定每个原子的核心。

  • 从远处看,质子似乎是由三种叫做夸克的粒子组成的。但仔细观察,会发现大量的粒子突然出现又消失。

质子是反物质的一部分,这一点经常被忽视。

我们在学校里学过,质子是由三种更基本粒子,即夸克组成的(两个上夸克和一个下夸克),它们的电荷(分别为+2/3和- 1/3)加起来为+1。

事实上,质子内部旋转的是数目不定的六种夸克,它们带相反电荷的反物质对应物(反夸克),以及将其他粒子结合在一起的“胶子”粒子。不知为何,这个旋转的大漩涡最终变得非常稳定。伊利诺伊州阿贡国家实验室的核物理学家唐纳德·盖萨曼说:“坦白地说,这是一个奇迹。”

30年前,研究人员发现了这个“质子海”的一个显著特征。理论学家曾预计它会包含一种均匀扩散的不同类型反物质;相反,下反夸克的数量似乎明显多于上反夸克。十年之后,另一组科学家发现了在实际的反夸克比率中令人困惑的变化迹象。但结果刚好在实验灵敏度的边缘。

因此,20年前,盖萨曼和他的同事开始了一项新的实验来进行研究。这项被称为“海洋测试”(SeaQuest)的实验终于完成了,研究人员在《自然》杂志上公布了他们的发现。他们比以往更详细地测量了质子内部的反物质,发现平均每1.4个下反夸克对应1个上反夸克。

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  • 质子,原子核中带正电荷的粒子,从远处看似乎很简单,但它们的内部却是由夸克、反夸克和胶子组成的漩涡海洋,物理学家们仍在努力理解它们。三个不平衡的“价态”夸克给质子全部的电荷。(图片来源:quantz)

数据支持两个质子海的理论模型。

其中一个是“介子云”模型,这是一个流行的、已有几十年历史的方法,它强调了质子发射和重新吸收被称为π介子粒子的趋势,π介子是介子的一种。另一个模型,所谓的统计模型,把质子当作装满气体的容器。

未来的实验将帮助研究人员在这两种模型中做出选择。但无论哪种模型是正确的,“海洋测试”关于质子内部反物质的数据都将立即发挥作用,尤其是对于那些在欧洲大型强子对撞机中以接近光速将质子碰撞在一起的物理学家来说。当他们确切地知道碰撞物体中有什么时,他们就可以更好地拼接碰撞碎片,寻找新粒子或新效应的证据。阿姆斯特丹自由大学的胡安·罗霍帮助分析大型强子对撞机的数据,他说,海洋测试的结果可能会对寻找新的物理现象有重大帮助,目前我们对质子结构,尤其是反物质含量的了解有限。

夸克

大约半个世纪前,物理学家曾一度认为他们已经成功地对质子进行了分类。

1964年,穆雷·盖尔·曼(Murray Gell-Mann)和乔治·茨威格(George Zweig)分别提出了夸克模型,即质子、中子和相关的罕见粒子是由三个夸克组成的,而π介子和其他介子是由一个夸克和一个反夸克组成的。后来,大约在1970年,斯坦福大学SLAC加速器的研究人员似乎成功地证实了夸克模型。他们向质子发射高速电子,看到电子从质子内部的物体反弹而出。

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但情况很快变得模糊起来。当科学家开始越来越多地尝试测量这三种夸克的性质时,他们发现还有一些其他的东西。

对这三个夸克动量的仔细研究表明,它们的质量只占质子总质量的一小部分。此外,当SLAC向质子发射更快的电子时,研究人员发现电子会从内部更多的东西上脱离。电子的速度越快,它们的波长就越短,这使得它们对质子更细微的特征更敏感,就好像它们提高了显微镜的分辨率。越来越多的内部粒子被揭示出来,似乎是无限的。

当物理学家们发现了夸克模型只是近似的真实理论后(量子色动力学,简称QCD),这些结果开始变得更有意义,。QCD于1973年提出,描述了“强力”,即自然界中最强的力,在这种力中,被称为胶子的粒子将夸克连接在一起。

QCD预测了散射实验观测到的大漩涡。因为胶子能感受到它们所携带的力(它们在这方面与光子不同,后者携带的电磁力更简单)。这种“内部交易”在质子内部制造了一个“沼泽”,使胶子可以自由地产生、增殖并分裂成短命的夸克-反夸克对。从远处看,这些间隔紧密、电荷相反的夸克和反夸克相互抵消,不被人注意。只有三个不平衡的“价态”夸克(两个向上和一个向下)贡献了质子的总电荷。但物理学家意识到,当他们发射更快的电子时,他们击中的是小目标。

然而奇怪的事情还在继续。

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自旋胶子使得量子色动力学方程通常是不可解的,所以物理学家们不能计算出理论的精确预测。但他们没有理由认为胶子应该更频繁地分裂成一种夸克-反夸克对而不是另一种。

因此,在1991年,日内瓦的新介子合作项目将介子从质子和氘核中分离出来。对比结果,下反夸克比上反夸克更多。

质子部分

理论家们很快就提出了许多可能的方法来解释质子的不对称性。

其中一种是π介子。自20世纪40年代以来,物理学家已经看到质子和中子在原子核内来回传递π介子,就像队友互相扔篮球一样。在研究质子的过程中,研究人员意识到它可以短暂地发射并重新吸收一个带正电荷的π介子,同时变成一个中子。如果你在做一个实验,你认为你在看一个质子,你在欺骗自己,因为在某些时候,质子会波动为中子。

具体来说,质子变成一个中子和一个介子,由一个上夸克和一个下反夸克组成。因为这个幽灵般的的π介子有一个下反夸克(一个介子包含一个上反夸克不容易物化),像阿尔伯格、杰拉尔德·米勒和托尼·托马斯这样的理论家认为介子云的概念解释了质子测量到的下反夸克过剩的问题。

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  • 一个质子可能有一部分时间是作为中子和介子的——这是下夸克-反夸克对的短暂出现所允许的跃迁。(图片来源:quantz)

其他一些理论也出现了,比如统计模型,把质子内部的粒子当作是房间里的气体分子,它们以一种速度分布的方式摆动,而这种速度分布取决于它们的角动量是整数还是半整数。当调整到与大量散射实验的数据相匹配时,该模型预测了下反夸克过量。

这些模型并没有做出完全相同的预测。质子的大部分总质量来自于进出质子的单个粒子的能量。当计算携带更多能量的反夸克时,下夸克和上反夸克的比率会如何变化,模型对此做出了不同的预测。物理学家测量一个相关的量叫做反夸克动量分数。

1999年,费米实验室的“NuSea”实验以反夸克动量为函数,测量了该比率。数据表明,在动量足够大的反夸克中,上反夸克突然变得比下反夸克更普遍。为什么当那些反夸克获得了更大的动量时,这条曲线就会开始翻转?

就在理论学家们挠头的时候,格萨曼和雷默知道边缘上的数据有时是不可信的,于是他们开始着手建立一个可以轻松探索更大的反夸克动量范围的实验。他们称之为“海上探索”。

在实验中,质子击中两个目标:一小瓶氢,本质上是质子,和一小瓶氘(原子核中有一个质子和一个中子的原子)。

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当一个质子击中任何一个目标时,它的一个价夸克有时会与目标质子或中子中的一个反夸克一起湮灭。当湮灭发生时,它有一个独特的特征,产生一个介子和一个反介子。通过探测另一边的介子,并重建它们原来的路径和速度,可以反向计算出反夸克所携带的动量分数。

直接比较两个小瓶的数据就能得到质子中下反夸克和上反夸克的比例。

2019年,阿尔伯格和米勒根据介子云的理论计算出了SeaQuest应该观测到什么。他们的预测与SeaQuest的新数据非常吻合。

新数据显示,这一比例逐渐上升,然后趋于平稳,但并未出现突然反转。然而,米勒称这个模型为“描述性的,而不是预测性的”,因为它是为了适应数据而不是为了确定下反夸克过量背后的物理机制。

有的科学家认为统计模型比阿尔伯格和米勒的模型更强大,因为它解释了散射实验中粒子的极化以及非极化。米勒强烈反对这种说法,他指出介子云不仅可以解释质子的反物质含量,还可以解释各种粒子的磁矩、电荷分布和衰变时间。π介子机制在广义上解释原子核为什么会存在。

在对质子的终极探索中,决定因素可能是它的自旋,或固有角动量。20世纪80年代末的一项介子散射实验表明,质子的三个价态夸克的自旋占质子总自旋的比例不超过30%。“质子自旋危机”是,是什么贡献了其余的70%?一定还有别的什么东西在进行着。

在费米实验室,实验人员将探测质子海的自旋。阿尔伯格和米勒已经开始计算环绕质子的完整“介子云”,其中包括比π介子更稀有的“rho介子”。π介子没有自旋,但rho介子有,所以它们一定以阿尔伯格和米勒希望确定的方式对质子的整体自旋做出了贡献。

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