關於質子的三個謎題

這幾十年來，大多數的物理學家都專註於研究那些奇異的亞原子粒子，比如中微子或希格斯玻色子等。但是卻鮮有人把焦點放在質子身上。

然而，當我們重新審視質子的時候，就會發現這個我們最熟悉的粒子，依舊充滿了魅力。它的一些最基本的性質是我們還不能夠確定的，例如它的半徑之謎，它的自旋來源以及它的生命是否有一個期限。

什麼是質子？

在宇宙的歷史長河中，質子絕對是一個大VIPs（Very Important Particles）。它們在宇宙大爆炸后的百萬分之一秒后產生，在更早的時候，宇宙太過熾熱無法使這個帶正電荷的粒子成型。然而，質子正式走入我們的視線也只發生在100多年前。當時，盧瑟福轟擊氮原子，才」剝開「原子核釋放出質子。

△ 一個原子包含了質子（proton）、中子（Neutron）和電子云（Electron cloud）。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

一個質子，加上一個電子，就形成了宇宙中含量最豐富的氫原子。

質子在我們的身體之中，在太陽的核心之中，在宇宙射線之中。它無處不在。但是，我們還不了解它。

謎題一：半徑之謎

現狀：兩種不同的測量方法給出了不同的半徑數值。

為什麼重要？想要檢驗粒子之間是如何作用的理論，就要求對zhi質子的半徑有著精確地測量。如果這種差異持續，這或許意味著存在一個未發現的粒子。

過去，科學家一直認為質子的半徑大約為0.88飛米。但是這個和諧的局面於2010年5月在法國的一場會議中被打破。兩個不同的團隊向與會者呈現了對質子半徑更精確的測量。但令人驚訝的是，他們得到的半徑在數值上相差了4%。

這兩個團隊利用了不同的方法測量質子的大小。在德國美因茨的MAMI粒子加速器中的一個實驗中，Bernauer和同事利用電子散射法——將一束高能電子射向質子，觀測電子在質子表面散射的情況——來估算質子半徑的大小。他們的實驗結果與過去的結果一致，即質子半徑為0.88飛米。

△ 左邊：常見的氫原子，由電子和質子構成；右邊：μ氫，電子被μ子替換。

另一個團隊是由Randolf Pohl所領導，採取了不同的方法。他們將氫原子中的電子替換成它的表親——μ子(Muon)，接著利用激光將 μ子激發到更高的能級。而這所需要的能量就依賴於質子的大小。由於μ子更重，它要比電子更靠近質子，因此利用μ子來測量質子的半徑得到的結果要比電子散射實驗精確10倍。

△ 氫原子的同位素氘原子。

而Pohl最終得到的數值是0.841飛米。接著，在去年的時候，Pohl測量了μ子氘原子，即μ子繞著氘核（由一個質子和一個中子組成）。同樣地，他們給出的結果也比預期的要小。

為什麼不同測量給出了不同的結果？也許我們可以責怪實驗誤差，但目前沒人有知道它的來源。而從實驗數據中用來計算半徑的理論也非常的堅實。

因此有人開始討論更加奇異的可能性。或許存在著一個新的粒子，只跟μ子相互作用，但不跟電子作用，這就能夠解釋測量到的半徑差異了。過去，我們一直認為質子和電子在粒子作用中的行為是一致的，這是理論物理學中的基本原理，但如果不是這樣，那麼就是一個基本的突破性發現。

△ 科學家利用激光來研究質子的半徑。（圖片來源：A. ANTOGNINI AND F. REISER/PSI）

接下來，科學家正計劃著不同的實驗來檢驗質子半徑的差異是否依舊存在，比如進行μ子散射實驗，看結果是否會和電子散射實驗一樣。這些實驗室非常有必要的，因為這是對量子電動力學(QED)的檢驗。QED是描述微觀尺度電磁現象的物理理論。利用該理論，科學家可以計算量子系統的性質，比如氫原子，但是這些計算需要質子的半徑的精確值。因此對質子半徑的測量是對該理論的嚴峻考驗。

現狀：科學家無法解釋質子自旋的來源。

為什麼重要？對自旋的理解能夠幫助我們對質子如何運作有更基本的理解。

即使半徑之謎解決了，科學家還面臨著另一個問題。當我們對質子進行「解剖」的時候，會發現它的內部非常複雜，它包含了三個夸克：一個負電荷的「下」夸克和兩個正電荷的「上」夸克。

△ 質子和中子的內部都是由上下夸克組成的。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

三個夸克的圖景仍然太過簡單了。伴隨著它們的是一群混亂的瞬時粒子。有許多額外的夸克和反夸克，會不停的出現、湮滅。除此外，還有將質子「粘合「在一起的膠子。膠子是強核力（四種基本力之一）的信使，是它們使夸克相互吸引。

△ 事實上，質子和中子的內部要複雜的多。在三個永存的夸克身邊，會有許多夸克-反夸克不斷地產生以及湮滅。黃色代表著膠子，正是它們通過強核力將夸克束縛住。夸克還有一個性質跟強核力有關，被稱作「色荷」——圖中顯示為紅、綠和藍色。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）

正是由於這種混亂的局面，質子的性質才很難理解。其中的一個性質被稱為自旋，科學家已經小心翼翼的探索了許多年，但還沒有完全搞懂。量子粒子總是快速的旋轉，就像地球繞著自己的軸轉動。這種自旋會產生角動量——描述旋轉物體的一個量。自旋也使質子表現的像小磁鐵，因為旋轉的電荷會產生磁場。這種性質是醫學成像的關鍵，即所謂的核磁共振成像。

但是，在量子世界中，奇怪的是：並沒有真正的自旋在發生。因為基本粒子（比如夸克）並沒有一個有限的物理大小，就目前所知，它們並不能旋轉。儘管沒有自旋，但粒子依舊錶現出自旋的行為，而且它只能有特定的值：1/2的整數倍。

夸克的自旋為1/2，膠子的自旋為1。這些自旋結合起來產生質子的總自旋。此外，正如地球同時繞著自己的軸自轉及繞著太陽公轉，夸克和膠子或許也繞著質子的中心轉，產生了額外的角動量，需要被考慮進總自旋。

不知怎地，在質子內的夸克和膠子的自旋和軌道運動結合會產生1/2的自旋。起初，物理學家認為這個解釋應該很簡單。他們認為質子的自旋是由三個夸克（每個夸克的自旋為1/2）決定的。如果其中兩個夸克的自旋方向相反，那麼它們就會相互抵消產生共1/2的自旋。但是1980年代的實驗讓物理學家意識到事情遠遠沒有那麼簡單。令人意外的是，質子的自旋只有一小部分是來自夸克的。

△ 科學家認為一個質子的自旋主要是由三個夸克（左邊，箭頭表示了自旋的方向）貢獻。但其實，膠子和短暫存在的夸克和反夸克通過它們的自旋和運動（灰色箭頭）也有貢獻。（圖片來源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）

如果不是來自夸克又會是什麼？科學家預感質子的自旋有可能是來自膠子。但是，要驗證這個猜想卻是極度困難的。為了找出答案，科學家利用相對論重離子對撞機（RHIC）進行實驗。

在實驗中，科學家將已經偏振的質子進行對撞：兩個質子的自旋要麼被對齊要麼指向不同的方向。實驗結果顯示，膠子對質子自旋的貢獻為35%。由於夸克只貢獻了25%，那麼還有40%來自哪裡？我們並不知道，只能把希望寄予未來的實驗上。

△ 在布魯克黑文國家實驗室中的PHENIX實驗中，科學家利用巨大的探測器來研究自旋。（圖片來源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）

無法駕馭的基本力

當實驗物理學家想要揭開關於質子自旋和其它的困惑時，他們無法從理論物理學家那裡得到很多的幫助。量子色動力學（QCD）——是一個描述夸克膠子之間強相互作用的理論——像是一個無法駕馭的野獸。它太過複雜，科學家還無法直接求解理論的方程。但如果無法從理論上做出正確的計算，科學家就無法預測質子的半徑該是多少，它的自旋來源又是什麼。

為了簡化質子的數學，物理學家利用一個技巧叫做晶格量子色動力學（Lattice QCD），該理論把世界想象成由時空中的格點構成的。一個夸克可以處于格子中的這一點或那一點，但不是在兩點之間的空間。同樣地，時間也是在跳躍中進行的。在這個情況下，QCD變得更加可控，雖然計算仍然需要用到強大的超級電腦。

利用晶格QCD來計算質子的自旋的確有進展，但充滿了不確定性。2015年，物理學家Keh-Fei和同事進行了計算得出，一半質子的自旋來源於夸克的運動，四分之一來自夸克的自旋，以及剩下的四分之一來自膠子。但是這些數字跟實驗測量並不完全符合，而這也是可以理解的。因為他們的計算依賴於許多近似。

謎題三：質子的死亡

現狀：經歷了數十年的尋找，沒有人發現質子發生衰變。

為什麼重要？如果質子發生衰變，就意味著自然界中三種基本力——弱核力、強核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統一在一起。

儘管質子看起來是永存的，但科學家一直以來都質疑它的不朽。一些很受青睞的理論預言了質子會發生衰變——分裂成其它的粒子（比如分解成正電子和一個π介子）。但目前仍然沒有找到任何它衰變的跡象。

有一類理論被稱為大統一理論，預言了質子最終會發生衰變。這些理論統一了自然界中的三種基本力，提供同一個框架可以解釋電磁力、強核力和弱核力（引力並沒有被包含在這些模型中）。在這樣的統一理論下，在極高的能量下，這幾種力的強度相等。如此之高的能量只存在於極其早期的宇宙——正好在質子誕生之前。隨著宇宙慢慢的冷卻，這些力才慢慢變成我們今天觀測到的。

如果大統一理論正確，那麼質子就會衰變，這個過程是非常罕見的，因為質子的壽命是非常長的。如果質子衰變的很迅速，那麼原子就不穩定，那麼也就不會有行星、恆星、甚至是人類。

雖然質子的壽命在平均上是非常長的，但一旦它發生了一次罕見的衰變，就可以被我們檢測到。但目前為止，對質子衰變的尋找工作毫無結果。當然，實驗還在繼續。例如，為了尋找衰變的質子，科學家把實驗室建到地底下。在超級神岡實驗中，科學家監視著一個巨大的水箱，盛有5萬噸高純度的水，只為等待一次質子的終結。在將近20年的觀測中，超級神岡的科學家在論文中指出，加入質子主要衰變成一個正電子和π介子，那麼它的壽命平均上必須超過 1.6 × 10^34年。

這個觀測值意味著任何一個理論如果預言質子的壽命小於超級神岡所測量的時間，那麼理論就是錯誤的。

許多包含了超對稱理論——現在所有已知的粒子都有未被發現的更重的超對稱粒子——的大統一理論都通過了超級神岡的測量。但是這些依賴於超對稱的理論也面臨著額外的困境，因為如果超對稱粒子存在，它們應該在大型強子對撞機中（LHC）被探測到了。但又或許是因為超對稱粒子太重了，因此無法在LHC中找到。

有一些大統一理論不依賴超對稱的仍然可行。但是它們將會接受未來更多實驗的考驗，比如Hyper-K和DUNE實驗將會對質子的壽命做出更多的限制，或者直接觀測到質子的衰變。

最後，即使我們解決了質子的半徑、自旋和衰變的問題，我相信還會有更多的問題將會浮現。這也符合科學的發展，解開一個謎題的目的往往都是為了挑戰更深層的謎題。

編譯：大大

參考來源：https://www.sciencenews.org/article/theres-still-lot-we-dont-know-about-proton