科学家找到质子含有粲夸克证据

参考消息网8月23日报道 据英国《新科学家》周刊网站8月17日报道，物理学家惊讶地发现质子中包含一个粲夸克。

质子是存在于每个原子中心的一种粒子，它的结构似乎要比传统教科书上所言的复杂。这一发现可能对敏感粒子物理实验、比如大型强子对撞机（LHC）实验产生影响。

虽然人们一度认为，质子是不可分割的，但上世纪60年代进行的粒子加速器实验结果显示，它们包含3个更小的粒子，即夸克。夸克有6种类型，而质子包含两个上夸克和一个下夸克。

但在量子力学中，粒子的结构是由概率决定的，这意味着从理论上讲，其他夸克有可能以物质-反物质对的形式出现在质子内部。1980年欧洲核子研究中心的欧洲渺子协作组织进行的一项实验暗示，质子可能包含一个粲夸克及其反粒子——反粲夸克，但实验结果没有定论，而且引发了激烈争论。

研究人员试图进一步确定质子的粲夸克，但不同的研究小组发现了相互矛盾的结果，而且难以从粒子加速器的高能环境中分离出质子的内在组成部件。在粒子加速器中，每种夸克都在连续不断地产生和毁灭。

如今，荷兰阿姆斯特丹自由大学的胡安·罗霍及其同事发现了证据，证明质子的一小部分动量（大约0.5%）来自粲夸克。罗霍说：“值得注意的是，即使经过这数十年的研究，我们仍在发现质子的新特性，尤其是新的成分。”

为分离粲夸克，罗霍和他的团队利用机器学习模型提出由所有不同类型的夸克构成的假设质子结构，然后将它们与几十年来粒子加速器实验（包括LHC）中超过50万次真实碰撞数据加以比较。

华盛顿大学的克里斯蒂娜·艾达拉说，利用机器学习技术的做法尤为重要，因为它可以产生物理学家自己未必会想到的模型，从而降低测量结果出现偏差的可能性。

研究人员发现，如果质子中没有一个粲夸克-反粲夸克对，那么得到他们研究结果的可能性只有0.3%。物理学家称之为“3西格玛”结果，这通常被视为存在某种有趣东西的潜在迹象。需要进行更多研究，将测试结果提升至5西格玛水平，这意味着侥幸结果的概率约为350万分之一，这通常是某项发现的门槛。

研究小组研究了最近的大型强子对撞机底夸克（LHCb）Z玻色子实验的结果，并模拟了在有和没有粲夸克情况下质子动量的统计分布。他们发现，如果假设质子有一个粲夸克，这个模型与结果更匹配。这意味着，与西格玛水平本身所提示的相比，他们更有信心认为存在一个粲夸克。罗霍说：“完全不同的研究汇聚于同样的结果，这让我们尤其相信我们的结果是可靠的。”

剑桥大学的哈里·克利夫说：“鉴于质子的普遍性和我们对它的了解时间，我们实际上对它的子结构仍有很多不了解的东西，因此这绝对意义重大。”

克利夫说，质子的粲夸克也可能对LHC的其他物理学实验产生影响，因为它们依赖质子子结构的精确模型。罗霍说，南极冰立方中微子天文台寻找宇宙射线撞击地球大气层中的粒子时产生的罕见中微子，可能也需要将这种新结构考虑在内。

他说：“宇宙射线撞击大气原子核并产生中微子的概率对质子的粲夸克非常敏感。”