這幾十年來，大多數(shù)的物理學(xué)家都專注于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(diǎn)放在質(zhì)子身上。
然而，當(dāng)我們重新審視質(zhì)子的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)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(zhì)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(gè)期限。
什么是質(zhì)子？
在宇宙的歷史長河中，質(zhì)子絕對(duì)是一個(gè)大VIPs（Very Important Particles）。它們?cè)谟钪娲蟊ê蟮陌偃f分之一秒后產(chǎn)生，在更早的時(shí)候，宇宙太過熾熱無法使這個(gè)帶正電荷的粒子成型。然而，質(zhì)子正式走入我們的視線也只發(fā)生在100多年前。當(dāng)時(shí)，盧瑟福轟擊氮原子，才”剝開“原子核釋放出質(zhì)子。
△ 一個(gè)原子包含了質(zhì)子（proton）、中子（Neutron）和電子云（Electron cloud）。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）
一個(gè)質(zhì)子，加上一個(gè)電子，就形成了宇宙中含量最豐富的氫原子。
質(zhì)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(xiàn)狀：兩種不同的測(cè)量方法給出了不同的半徑數(shù)值。
為什么重要？想要檢驗(yàn)粒子之間是如何作用的理論，就要求對(duì)zhi質(zhì)子的半徑有著精確地測(cè)量。如果這種差異持續(xù)，這或許意味著存在一個(gè)未發(fā)現(xiàn)的粒子。
過去，科學(xué)家一直認(rèn)為質(zhì)子的半徑大約為0.88飛米。但是這個(gè)和諧的局面于2010年5月在法國的一場(chǎng)會(huì)議中被打破。兩個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)向與會(huì)者呈現(xiàn)了對(duì)質(zhì)子半徑更精確的測(cè)量。但令人驚訝的是，他們得到的半徑在數(shù)值上相差了4%。
這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)利用了不同的方法測(cè)量質(zhì)子的大小。在德國美因茨的MAMI粒子加速器中的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，Bernauer和同事利用電子散射法——將一束高能電子射向質(zhì)子，觀測(cè)電子在質(zhì)子表面散射的情況——來估算質(zhì)子半徑的大小。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與過去的結(jié)果一致，即質(zhì)子半徑為0.88飛米。
△ 左邊：常見的氫原子，由電子和質(zhì)子構(gòu)成；右邊：μ氫，電子被μ子替換。
另一個(gè)團(tuán)隊(duì)是由Randolf Pohl所領(lǐng)導(dǎo)，采取了不同的方法。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(fā)到更高的能級(jí)。而這所需要的能量就依賴于質(zhì)子的大小。由于μ子更重，它要比電子更靠近質(zhì)子，因此利用μ子來測(cè)量質(zhì)子的半徑得到的結(jié)果要比電子散射實(shí)驗(yàn)精確10倍。
△ 氫原子的同位素氘原子。
而Pohl最終得到的數(shù)值是0.841飛米。接著，在去年的時(shí)候，Pohl測(cè)量了μ子氘原子，即μ子繞著氘核（由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成）。同樣地，他們給出的結(jié)果也比預(yù)期的要小。
為什么不同測(cè)量給出了不同的結(jié)果？也許我們可以責(zé)怪實(shí)驗(yàn)誤差，但目前沒人有知道它的來源。而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中用來計(jì)算半徑的理論也非常的堅(jiān)實(shí)。
因此有人開始討論更加奇異的可能性?；蛟S存在著一個(gè)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(cè)量到的半徑差異了。過去，我們一直認(rèn)為質(zhì)子和電子在粒子作用中的行為是一致的，這是理論物理學(xué)中的基本原理，但如果不是這樣，那么就是一個(gè)基本的突破性發(fā)現(xiàn)。
△ 科學(xué)家利用激光來研究質(zhì)子的半徑。（圖片來源：A. ANTOGNINI AND F. REISER/PSI）
接下來，科學(xué)家正計(jì)劃著不同的實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)質(zhì)子半徑的差異是否依舊存在，比如進(jìn)行μ子散射實(shí)驗(yàn)，看結(jié)果是否會(huì)和電子散射實(shí)驗(yàn)一樣。這些實(shí)驗(yàn)室非常有必要的，因?yàn)檫@是對(duì)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)的檢驗(yàn)。QED是描述微觀尺度電磁現(xiàn)象的物理理論。利用該理論，科學(xué)家可以計(jì)算量子系統(tǒng)的性質(zhì)，比如氫原子，但是這些計(jì)算需要質(zhì)子的半徑的精確值。因此對(duì)質(zhì)子半徑的測(cè)量是對(duì)該理論的嚴(yán)峻考驗(yàn)。
謎題二：自旋危機(jī)
現(xiàn)狀：科學(xué)家無法解釋質(zhì)子自旋的來源。
為什么重要？對(duì)自旋的理解能夠幫助我們對(duì)質(zhì)子如何運(yùn)作有更基本的理解。
即使半徑之謎解決了，科學(xué)家還面臨著另一個(gè)問題。當(dāng)我們對(duì)質(zhì)子進(jìn)行“解剖”的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的內(nèi)部非常復(fù)雜，它包含了三個(gè)夸克：一個(gè)負(fù)電荷的“下”夸克和兩個(gè)正電荷的“上”夸克。
△ 質(zhì)子和中子的內(nèi)部都是由上下夸克組成的。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）
三個(gè)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(shí)粒子。有許多額外的夸克和反夸克，會(huì)不停的出現(xiàn)、湮滅。除此外，還有將質(zhì)子“粘合“在一起的膠子。膠子是強(qiáng)核力（四種基本力之一）的信使，是它們使夸克相互吸引。
△ 事實(shí)上，質(zhì)子和中子的內(nèi)部要復(fù)雜的多。在三個(gè)永存的夸克身邊，會(huì)有許多夸克-反夸克不斷地產(chǎn)生以及湮滅。黃色代表著膠子，正是它們通過強(qiáng)核力將夸克束縛住。夸克還有一個(gè)性質(zhì)跟強(qiáng)核力有關(guān)，被稱作“色荷”——圖中顯示為紅、綠和藍(lán)色。（圖片來源：DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON）
正是由于這種混亂的局面，質(zhì)子的性質(zhì)才很難理解。其中的一個(gè)性質(zhì)被稱為自旋，科學(xué)家已經(jīng)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(zhuǎn)，就像地球繞著自己的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。這種自旋會(huì)產(chǎn)生角動(dòng)量——描述旋轉(zhuǎn)物體的一個(gè)量。自旋也使質(zhì)子表現(xiàn)的像小磁鐵，因?yàn)樾D(zhuǎn)的電荷會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這種性質(zhì)是醫(yī)學(xué)成像的關(guān)鍵，即所謂的核磁共振成像。
但是，在量子世界中，奇怪的是：并沒有真正的自旋在發(fā)生。因?yàn)榛玖Ｗ樱ū热缈淇耍┎]有一個(gè)有限的物理大小，就目前所知，它們并不能旋轉(zhuǎn)。盡管沒有自旋，但粒子依舊表現(xiàn)出自旋的行為，而且它只能有特定的值：1/2的整數(shù)倍。
夸克的自旋為1/2，膠子的自旋為1。這些自旋結(jié)合起來產(chǎn)生質(zhì)子的總自旋。此外，正如地球同時(shí)繞著自己的軸自轉(zhuǎn)及繞著太陽公轉(zhuǎn)，夸克和膠子或許也繞著質(zhì)子的中心轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了額外的角動(dòng)量，需要被考慮進(jìn)總自旋。
不知怎地，在質(zhì)子內(nèi)的夸克和膠子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)結(jié)合會(huì)產(chǎn)生1/2的自旋。起初，物理學(xué)家認(rèn)為這個(gè)解釋應(yīng)該很簡單。他們認(rèn)為質(zhì)子的自旋是由三個(gè)夸克（每個(gè)夸克的自旋為1/2）決定的。如果其中兩個(gè)夸克的自旋方向相反，那么它們就會(huì)相互抵消產(chǎn)生共1/2的自旋。但是1980年代的實(shí)驗(yàn)讓物理學(xué)家意識(shí)到事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有那么簡單。令人意外的是，質(zhì)子的自旋只有一小部分是來自夸克的。
△ 科學(xué)家認(rèn)為一個(gè)質(zhì)子的自旋主要是由三個(gè)夸克（左邊，箭頭表示了自旋的方向）貢獻(xiàn)。但其實(shí)，膠子和短暫存在的夸克和反夸克通過它們的自旋和運(yùn)動(dòng)（灰色箭頭）也有貢獻(xiàn)。（圖片來源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）
如果不是來自夸克又會(huì)是什么？科學(xué)家預(yù)感質(zhì)子的自旋有可能是來自膠子。但是，要驗(yàn)證這個(gè)猜想?yún)s是極度困難的。為了找出答案，科學(xué)家利用相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家將已經(jīng)偏振的質(zhì)子進(jìn)行對(duì)撞：兩個(gè)質(zhì)子的自旋要么被對(duì)齊要么指向不同的方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，膠子對(duì)質(zhì)子自旋的貢獻(xiàn)為35%。由于夸克只貢獻(xiàn)了25%，那么還有40%來自哪里？我們并不知道，只能把希望寄予未來的實(shí)驗(yàn)上。
△ 在布魯克黑文國家實(shí)驗(yàn)室中的PHENIX實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家利用巨大的探測(cè)器來研究自旋。（圖片來源：BROOKHAVEN NATIONAL LAB）
無法駕馭的基本力
當(dāng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家想要揭開關(guān)于質(zhì)子自旋和其它的困惑時(shí)，他們無法從理論物理學(xué)家那里得到很多的幫助。量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）——是一個(gè)描述夸克膠子之間強(qiáng)相互作用的理論——像是一個(gè)無法駕馭的野獸。它太過復(fù)雜，科學(xué)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(jì)算，科學(xué)家就無法預(yù)測(cè)質(zhì)子的半徑該是多少，它的自旋來源又是什么。
為了簡化質(zhì)子的數(shù)學(xué)，物理學(xué)家利用一個(gè)技巧叫做晶格量子色動(dòng)力學(xué)（Lattice QCD），該理論把世界想象成由時(shí)空中的格點(diǎn)構(gòu)成的。一個(gè)夸克可以處于格子中的這一點(diǎn)或那一點(diǎn)，但不是在兩點(diǎn)之間的空間。同樣地，時(shí)間也是在跳躍中進(jìn)行的。在這個(gè)情況下，QCD變得更加可控，雖然計(jì)算仍然需要用到強(qiáng)大的超級(jí)電腦。
利用晶格QCD來計(jì)算質(zhì)子的自旋的確有進(jìn)展，但充滿了不確定性。2015年，物理學(xué)家Keh-Fei和同事進(jìn)行了計(jì)算得出，一半質(zhì)子的自旋來源于夸克的運(yùn)動(dòng)，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(shù)字跟實(shí)驗(yàn)測(cè)量并不完全符合，而這也是可以理解的。因?yàn)樗麄兊挠?jì)算依賴于許多近似。
謎題三：質(zhì)子的死亡
現(xiàn)狀：經(jīng)歷了數(shù)十年的尋找，沒有人發(fā)現(xiàn)質(zhì)子發(fā)生衰變。
為什么重要？如果質(zhì)子發(fā)生衰變，就意味著自然界中三種基本力——弱核力、強(qiáng)核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統(tǒng)一在一起。
盡管質(zhì)子看起來是永存的，但科學(xué)家一直以來都質(zhì)疑它的不朽。一些很受青睞的理論預(yù)言了質(zhì)子會(huì)發(fā)生衰變——分裂成其它的粒子（比如分解成正電子和一個(gè)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(tǒng)一理論，預(yù)言了質(zhì)子最終會(huì)發(fā)生衰變。這些理論統(tǒng)一了自然界中的三種基本力，提供同一個(gè)框架可以解釋電磁力、強(qiáng)核力和弱核力（引力并沒有被包含在這些模型中）。在這樣的統(tǒng)一理論下，在極高的能量下，這幾種力的強(qiáng)度相等。如此之高的能量只存在于極其早期的宇宙——正好在質(zhì)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(cè)到的。
如果大統(tǒng)一理論正確，那么質(zhì)子就會(huì)衰變，這個(gè)過程是非常罕見的，因?yàn)橘|(zhì)子的壽命是非常長的。如果質(zhì)子衰變的很迅速，那么原子就不穩(wěn)定，那么也就不會(huì)有行星、恒星、甚至是人類。
雖然質(zhì)子的壽命在平均上是非常長的，但一旦它發(fā)生了一次罕見的衰變，就可以被我們檢測(cè)到。但目前為止，對(duì)質(zhì)子衰變的尋找工作毫無結(jié)果。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)還在繼續(xù)。例如，為了尋找衰變的質(zhì)子，科學(xué)家把實(shí)驗(yàn)室建到地底下。在超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家監(jiān)視著一個(gè)巨大的水箱，盛有5萬噸高純度的水，只為等待一次質(zhì)子的終結(jié)。在將近20年的觀測(cè)中，超級(jí)神岡的科學(xué)家在論文中指出，加入質(zhì)子主要衰變成一個(gè)正電子和π介子，那么它的壽命平均上必須超過 1.6 × 10^34年。
這個(gè)觀測(cè)值意味著任何一個(gè)理論如果預(yù)言質(zhì)子的壽命小于超級(jí)神岡所測(cè)量的時(shí)間，那么理論就是錯(cuò)誤的。
許多包含了超對(duì)稱理論——現(xiàn)在所有已知的粒子都有未被發(fā)現(xiàn)的更重的超對(duì)稱粒子——的大統(tǒng)一理論都通過了超級(jí)神岡的測(cè)量。但是這些依賴于超對(duì)稱的理論也面臨著額外的困境，因?yàn)槿绻瑢?duì)稱粒子存在，它們應(yīng)該在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中（LHC）被探測(cè)到了。但又或許是因?yàn)槌瑢?duì)稱粒子太重了，因此無法在LHC中找到。
有一些大統(tǒng)一理論不依賴超對(duì)稱的仍然可行。但是它們將會(huì)接受未來更多實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)，比如Hyper-K和DUNE實(shí)驗(yàn)將會(huì)對(duì)質(zhì)子的壽命做出更多的限制，或者直接觀測(cè)到質(zhì)子的衰變。
最后，即使我們解決了質(zhì)子的半徑、自旋和衰變的問題，我相信還會(huì)有更多的問題將會(huì)浮現(xiàn)。這也符合科學(xué)的發(fā)展，解開一個(gè)謎題的目的往往都是為了挑戰(zhàn)更深層的謎題。
編譯：大大
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