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『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界


作者： 陈旭荣 中科院近代物理所研究员
引子
从古至今 ， 人类一直对宇宙有极大的好奇心 ， 比如：我们的宇宙是由什么构成的？
现代科学认为 ， 宇宙中的物质大致可以分为三种：普通可见物质、暗物质、暗能量 。 我们眼睛所见到的一切物质 ， 包括天上的星星 ， 都是普通可见物质 。 普通可见物质的质量约占整个宇宙质量的5% ， 由“基本粒子”构成 ， 其中99%以上的质量由大约1080个质子和中子贡献 。
『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界
本文插图
核子是组成原子核的质子和中子的统称 。 核子的质量是怎么来的呢？
1964年 ， 英国物理学家希格斯（Higgs）提出了希格斯场的存在 ， 并预言了希格斯玻色子（Higgs boson）的存在 。 在希格斯机制中 ， 希格斯场引起自发对称性破缺 ， 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量 。 希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发 ， 它通过自相互作用而获得质量 。 假若希格斯玻色子被证实存在 ， 则希格斯场也应该存在 ， 从而希格斯机制也被证实 。 2012年 ， 欧洲核子研究中心宣布发现希格斯玻色子 ， 也就是所谓的“上帝粒子” 。 希格斯因为这项发现获得了2013年诺贝尔物理学奖 。
希格斯机制产生的夸克质量很小 ， 比如上夸克（up quark）和下夸克（down quark）的质量只有几个MeV 。 所以含有两个上夸克和一个下夸克的质子质量只有大约十几个MeV 。 但是 ， 我们知道质子真实的质量大约是938 MeV 。 除由希格斯机制产生的夸克质量外 ， 质子质量主要由相对论性夸克胶子相互作用产生 。 如何精确地确定质量成分呢？
答案是：需要先搞清楚质子的内部结构 。
『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界
本文插图
图：质子质量约938 MeV, 而由希格斯机制产生的夸克质量约10 MeV
质子内部结构
根据美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）的夸克模型 ， 质子内部有三个更基本的粒子 ， 称为“夸克” 。 盖尔曼因该模型获得了1969年诺贝尔物理学奖 。
现在我们知道 ， 质子由夸克和胶子构成 ， 胶子像胶水一样把夸克胶黏在一起 。 在极短时间内 ， 胶子可分裂为一对正反夸克 。 同样 ， 这些夸克和反夸克也可聚合为胶子 。
『彼得·希格斯』神秘的质子内部世界
本文插图
图：质子内部结构：价夸克、海夸克和胶子
这只是个大致的图像 ， 还存在更基本的问题有待解决：质子的自旋和质量从何而来？
科学家现在认为自旋、质量和其它核子性质是由其内部夸克和胶子之间的复杂相互作用产生的 。 但我们不清楚这究竟是如何发生的 。 夸克和胶子之间的相互作用 ， 是由一种被称为“量子色动力学”（Quantum Chromodynamics ， QCD）的理论描述的 。
量子色动力学
完整描述强相互作用的理论是量子色动力学 ， 它是粒子物理学“标准模型”的基本理论的一部分 。 “标准模型”描述了宇宙中除了引力外的已知相互作用力 。 美国物理学家格罗斯（David Gross）、波利策（David Politzer）和维尔切克（Frank Wilczek）因于1973年发现这个理论的一个重要特性——“渐近自由”而获得2004年度诺贝尔物理学奖 。
QCD渐进自由的性质允许我们在高能微扰区域求解 ， 但目前还不能对非微扰区域的QCD直接求解 。
那我们就用高能碰撞实验去探索吧 。
电子探针
质子的半径要比原子小十万倍左右 ， 夸克和胶子的尺度比质子还小几个量级 。 另一方面 ， 核子的性质决定于夸克和胶子的集体行为 ， 即许多夸克胶子通过非常奇妙复杂的相互作用呈现出来的整体效果 。 这使得我们很难完全理解质子结构和性质 。


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