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关于质子的三个谜题

2017.05.02

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这几十年来,大多数的物理学家都专注于研究那些奇异的亚原子粒子,比如中微子或希格斯玻色子等。但是却鲜有人把焦点放在质子身上。


然而,当我们重新审视质子的时候,就会发现这个我们最熟悉的粒子,依旧充满了魅力。它的一些最基本的性质是我们还不能够确定的,例如它的半径之谜,它的自旋来源以及它的生命是否有一个期限。


 什么是质子? 


在宇宙的历史长河中,质子绝对是一个大VIPs(Very Important Particles)。它们在宇宙大爆炸后的百万分之一秒后产生,在更早的时候,宇宙太过炽热无法使这个带正电荷的粒子成型。然而,质子正式走入我们的视线也只发生在100多年前。当时,卢瑟福轰击氮原子,才”剥开“原子核释放出质子。


△ 一个原子包含了质子(proton)、中子(Neutron)和电子云(Electron cloud)。(图片来源:DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON)


一个质子,加上一个电子,就形成了宇宙中含量最丰富的氢原子。


质子在我们的身体之中,在太阳的核心之中,在宇宙射线之中。它无处不在。但是,我们还不了解它。


 谜题一:半径之谜 


现状:两种不同的测量方法给出了不同的半径数值。

为什么重要?想要检验粒子之间是如何作用的理论,就要求对zhi质子的半径有着精确地测量。如果这种差异持续,这或许意味着存在一个未发现的粒子。


过去,科学家一直认为质子的半径大约为0.88飞米。但是这个和谐的局面于2010年5月在法国的一场会议中被打破。两个不同的团队向与会者呈现了对质子半径更精确的测量。但令人惊讶的是,他们得到的半径在数值上相差了4%。


这两个团队利用了不同的方法测量质子的大小。在德国美因茨的MAMI粒子加速器中的一个实验中,Bernauer和同事利用电子散射法——将一束高能电子射向质子,观测电子在质子表面散射的情况——来估算质子半径的大小。他们的实验结果与过去的结果一致,即质子半径为0.88飞米。


△ 左边:常见的氢原子,由电子和质子构成;右边:μ氢,电子被μ子替换。


另一个团队是由Randolf Pohl所领导,采取了不同的方法。他们将氢原子中的电子替换成它的表亲——μ子(Muon),接着利用激光将 μ子激发到更高的能级。而这所需要的能量就依赖于质子的大小。由于μ子更重,它要比电子更靠近质子,因此利用μ子来测量质子的半径得到的结果要比电子散射实验精确10倍。


△ 氢原子的同位素氘原子。


而Pohl最终得到的数值是0.841飞米。接着,在去年的时候,Pohl测量了μ子氘原子,即μ子绕着氘核(由一个质子和一个中子组成)。同样地,他们给出的结果也比预期的要小。


为什么不同测量给出了不同的结果?也许我们可以责怪实验误差,但目前没人有知道它的来源。而从实验数据中用来计算半径的理论也非常的坚实。


因此有人开始讨论更加奇异的可能性。或许存在着一个新的粒子,只跟μ子相互作用,但不跟电子作用,这就能够解释测量到的半径差异了。过去,我们一直认为质子和电子在粒子作用中的行为是一致的,这是理论物理学中的基本原理,但如果不是这样,那么就是一个基本的突破性发现。


△ 科学家利用激光来研究质子的半径。(图片来源:A. ANTOGNINI AND F. REISER/PSI)


接下来,科学家正计划着不同的实验来检验质子半径的差异是否依旧存在,比如进行μ子散射实验,看结果是否会和电子散射实验一样。这些实验室非常有必要的,因为这是对量子电动力学(QED)的检验。QED是描述微观尺度电磁现象的物理理论。利用该理论,科学家可以计算量子系统的性质,比如氢原子,但是这些计算需要质子的半径的精确值。因此对质子半径的测量是对该理论的严峻考验。


 谜题二:自旋危机 


现状:科学家无法解释质子自旋的来源。

为什么重要?对自旋的理解能够帮助我们对质子如何运作有更基本的理解。


即使半径之谜解决了,科学家还面临着另一个问题。当我们对质子进行“解剖”的时候,会发现它的内部非常复杂,它包含了三个夸克:一个负电荷的“下”夸克和两个正电荷的“上”夸克。


△ 质子和中子的内部都是由上下夸克组成的。(图片来源:DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON)


三个夸克的图景仍然太过简单了。伴随着它们的是一群混乱的瞬时粒子。有许多额外的夸克和反夸克,会不停的出现、湮灭。除此外,还有将质子“粘合“在一起的胶子。胶子是强核力(四种基本力之一)的信使,是它们使夸克相互吸引。


△ 事实上,质子和中子的内部要复杂的多。在三个永存的夸克身边,会有许多夸克-反夸克不断地产生以及湮灭。黄色代表着胶子,正是它们通过强核力将夸克束缚住。夸克还有一个性质跟强核力有关,被称作“色荷”——图中显示为红、绿和蓝色。(图片来源:DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON)


正是由于这种混乱的局面,质子的性质才很难理解。其中的一个性质被称为自旋,科学家已经小心翼翼的探索了许多年,但还没有完全搞懂。量子粒子总是快速的旋转,就像地球绕着自己的轴转动。这种自旋会产生角动量——描述旋转物体的一个量。自旋也使质子表现的像小磁铁,因为旋转的电荷会产生磁场。这种性质是医学成像的关键,即所谓的核磁共振成像。


但是,在量子世界中,奇怪的是:并没有真正的自旋在发生。因为基本粒子(比如夸克)并没有一个有限的物理大小,就目前所知,它们并不能旋转。尽管没有自旋,但粒子依旧表现出自旋的行为,而且它只能有特定的值:1/2的整数倍。


夸克的自旋为1/2,胶子的自旋为1。这些自旋结合起来产生质子的总自旋。此外,正如地球同时绕着自己的轴自转及绕着太阳公转,夸克和胶子或许也绕着质子的中心转,产生了额外的角动量,需要被考虑进总自旋。


不知怎地,在质子内的夸克和胶子的自旋和轨道运动结合会产生1/2的自旋。起初,物理学家认为这个解释应该很简单。他们认为质子的自旋是由三个夸克(每个夸克的自旋为1/2)决定的。如果其中两个夸克的自旋方向相反,那么它们就会相互抵消产生共1/2的自旋。但是1980年代的实验让物理学家意识到事情远远没有那么简单。令人意外的是,质子的自旋只有一小部分是来自夸克的。


△ 科学家认为一个质子的自旋主要是由三个夸克(左边,箭头表示了自旋的方向)贡献。但其实,胶子和短暂存在的夸克和反夸克通过它们的自旋和运动(灰色箭头)也有贡献。(图片来源:BROOKHAVEN NATIONAL LAB)


如果不是来自夸克又会是什么?科学家预感质子的自旋有可能是来自胶子。但是,要验证这个猜想却是极度困难的。为了找出答案,科学家利用相对论重离子对撞机(RHIC)进行实验。


在实验中,科学家将已经偏振的质子进行对撞:两个质子的自旋要么被对齐要么指向不同的方向。实验结果显示,胶子对质子自旋的贡献为35%。由于夸克只贡献了25%,那么还有40%来自哪里?我们并不知道,只能把希望寄予未来的实验上。


△ 在布鲁克黑文国家实验室中的PHENIX实验中,科学家利用巨大的探测器来研究自旋。(图片来源:BROOKHAVEN NATIONAL LAB)


 无法驾驭的基本力 


当实验物理学家想要揭开关于质子自旋和其它的困惑时,他们无法从理论物理学家那里得到很多的帮助。量子色动力学(QCD)——是一个描述夸克胶子之间强相互作用的理论——像是一个无法驾驭的野兽。它太过复杂,科学家还无法直接求解理论的方程。但如果无法从理论上做出正确的计算,科学家就无法预测质子的半径该是多少,它的自旋来源又是什么。


为了简化质子的数学,物理学家利用一个技巧叫做晶格量子色动力学(Lattice QCD),该理论把世界想象成由时空中的格点构成的。一个夸克可以处于格子中的这一点或那一点,但不是在两点之间的空间。同样地,时间也是在跳跃中进行的。在这个情况下,QCD变得更加可控,虽然计算仍然需要用到强大的超级电脑。


利用晶格QCD来计算质子的自旋的确有进展,但充满了不确定性。2015年,物理学家Keh-Fei和同事进行了计算得出,一半质子的自旋来源于夸克的运动,四分之一来自夸克的自旋,以及剩下的四分之一来自胶子。但是这些数字跟实验测量并不完全符合,而这也是可以理解的。因为他们的计算依赖于许多近似。


 谜题三:质子的死亡 


现状:经历了数十年的寻找,没有人发现质子发生衰变。

为什么重要?如果质子发生衰变,就意味着自然界中三种基本力——弱核力、强核力和电磁力——在宇宙早期能够被统一在一起。


尽管质子看起来是永存的,但科学家一直以来都质疑它的不朽。一些很受青睐的理论预言了质子会发生衰变——分裂成其它的粒子(比如分解成正电子和一个π介子)。但目前仍然没有找到任何它衰变的迹象。


有一类理论被称为大统一理论,预言了质子最终会发生衰变。这些理论统一了自然界中的三种基本力,提供同一个框架可以解释电磁力、强核力和弱核力(引力并没有被包含在这些模型中)。在这样的统一理论下,在极高的能量下,这几种力的强度相等。如此之高的能量只存在于极其早期的宇宙——正好在质子诞生之前。随着宇宙慢慢的冷却,这些力才慢慢变成我们今天观测到的。


如果大统一理论正确,那么质子就会衰变,这个过程是非常罕见的,因为质子的寿命是非常长的。如果质子衰变的很迅速,那么原子就不稳定,那么也就不会有行星、恒星、甚至是人类。


虽然质子的寿命在平均上是非常长的,但一旦它发生了一次罕见的衰变,就可以被我们检测到。但目前为止,对质子衰变的寻找工作毫无结果。当然,实验还在继续。例如,为了寻找衰变的质子,科学家把实验室建到地底下。在超级神冈实验中,科学家监视着一个巨大的水箱,盛有5万吨高纯度的水,只为等待一次质子的终结。在将近20年的观测中,超级神冈的科学家在论文中指出,加入质子主要衰变成一个正电子和π介子,那么它的寿命平均上必须超过 1.6 × 10^34年。


这个观测值意味着任何一个理论如果预言质子的寿命小于超级神冈所测量的时间,那么理论就是错误的。


许多包含了超对称理论——现在所有已知的粒子都有未被发现的更重的超对称粒子——的大统一理论都通过了超级神冈的测量。但是这些依赖于超对称的理论也面临着额外的困境,因为如果超对称粒子存在,它们应该在大型强子对撞机中(LHC)被探测到了。但又或许是因为超对称粒子太重了,因此无法在LHC中找到。


有一些大统一理论不依赖超对称的仍然可行。但是它们将会接受未来更多实验的考验,比如Hyper-K和DUNE实验将会对质子的寿命做出更多的限制,或者直接观测到质子的衰变。


最后,即使我们解决了质子的半径、自旋和衰变的问题,我相信还会有更多的问题将会浮现。这也符合科学的发展,解开一个谜题的目的往往都是为了挑战更深层的谜题。


编译:大大


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