我们还不知道质子的具体构成

想象一下，我们把一栋房子放在一个非常大的秤上进行称重，然后又将它分解为每一块砖进行称重，我们发现砖的重量之和比整栋房子还重。在经典物理学的世界中，我们认为这是不可能的。但在亚原子物理学的怪异世界中，它完全有可能发生。假设质子是上述提到的那栋房子，那么那些砖就是质子内部的夸克，更多地了解它有助于我们理解粒子物理学中最大的谜团。

宇宙中的每个原子内部都至少有一个质子。事实上，质子构成了大部分常规物质。由于数十年的粒子物理学研究，我们知道质子是由称为夸克的更小粒子构成的。具体来说，质子由夸克的两种基本“味”构成：上夸克和下夸克。

一些物理学家提出，除了这两个夸克之外，质子还有另一个基本成分：粲夸克。粲夸克是夸克的另一种形式，其行为与上夸克完全一样，只是质量大得多，单个粲夸克比整个质子的质量都大。所以，用它制造质子的想法听起来确实有点奇怪。但由于另一个奇怪的规则，它在物理上是合理的。在这个极小的现实尺度上，一切都归结为概率。

物理学家使用方程式来描述他们在观察质子高速碰撞时会看到哪些夸克，然后他们通过实验观察来进行验证。大约 99.5% 的时间，当他们在这些情况下观察质子时，他们会看到它是由上夸克和下夸克组成的，正如预期的那样。但另外 0.5% 的时间，他们看到它也是由粲夸克构成的，这就是砖比房子重的原因。

因为粲夸克很少出现，而且它们的寿命很短，所以在描述这些东西的方程式中，它们只占质子总质量的一小部分。物理学家确实经常看到质子中出现短命的粲夸克，但他们称它为外在粲夸克，因为当我们不将质子高速撞击时，它们不被认为是质子的组成部分。

然而，一些物理学家认为，无论我们是否在粒子加速器中粉碎质子，都存在内在的粲夸克基本构建块。事实证明，要找到质子确实由内在粲夸克构成的证据要困难得多。几十年来，物理学家一直在追寻内在粲夸克的微妙线索，但有一个巨大的效应可能掩盖了它。每个质子也有一个翻腾的粒子“海洋”，物理学家必须在这种噪音中寻找内在粲夸克。

如果不考虑特定模型进行数据分析，那么就无法剔除这些噪音。内在粲夸克有很多似是而非的模型，因此通常物理学家必须检查每个模型，看看与实验数据是否匹配。但是 2022 年 8 月发表的研究使用了一个新技巧：机器学习。该团队将 30 年的粒子碰撞数据输入计算机，然后让计算机根据数据自行匹配模型来寻找内在粲夸克的证据。

机器学习可以一次查看大量不同的模型，它可以比以前人工匹配更有效地确定哪些模型最适合数据。果然，研究人员确实找到了内在粲夸克的证据。他们甚至计算了发现其中一个内在粲夸克的概率：大约 0.6%。但这个证据是可靠的吗？该研究团队表示，目前还达不到粒子物理学所要求的 5σ 标准。

无论质子是否真的具有这种内在粲夸克，这类超精确测试对于粒子物理学的未来至关重要。研究人员正在更深入地探索现实的最小部分，这需要极高的准确性，无论是在实验设计上，还是在对自然法则的理解上。

本文来自微信公众号：万象经验 （ID：UR4351），作者：Eugene Wang