日本“頂級(jí)神岡”實(shí)驗(yàn)計(jì)劃尋找質(zhì)子衰變的跡象。圖片來源：《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站

質(zhì)子潛伏于每個(gè)原子的核心深處，原子中質(zhì)子的數(shù)量決定了其是氫、碳、氧還是鈾。質(zhì)子占宇宙中可見物質(zhì)質(zhì)量的86%以上，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。盡管質(zhì)子無所不在，但它就像“最熟悉的陌生人”，頭上仍然籠罩著幾層神秘的面紗，等待人們逐一揭示。

中國(guó)科學(xué)院高能所研究員李玉峰對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說：“我們耳熟能詳?shù)馁|(zhì)子身上背負(fù)著多個(gè)未解之謎，包括最基本的問題：它由什么組成?它有多大?以及它是否會(huì)衰變等?！?/p>

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質(zhì)子由什么組成

李玉峰指出：“一個(gè)簡(jiǎn)單并經(jīng)常被提起的質(zhì)子‘畫像’是：兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克借助強(qiáng)核力結(jié)合在一起形成質(zhì)子。”

但當(dāng)物理學(xué)家更深入研究質(zhì)子時(shí)，發(fā)現(xiàn)情況可能更加復(fù)雜：組成質(zhì)子的這3個(gè)夸克周圍是一個(gè)由其他粒子組成的翻騰的海洋，這些粒子會(huì)突然出現(xiàn)和消失。這意味著可能會(huì)有其他夸克“誤入”質(zhì)子內(nèi)部。

李玉峰介紹說，1980年，歐洲核子研究中心(CERN)繆子合作組的科學(xué)家開展的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子可能含有粲夸克及反粲夸克，這一結(jié)果引發(fā)激烈爭(zhēng)議，但最終并未塵埃落定。隨后不少科學(xué)家試圖確定質(zhì)子中粲夸克的成分，但所得到的結(jié)果相互矛盾。

2022年，荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)的胡安·羅霍團(tuán)隊(duì)結(jié)合了大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集和全新的機(jī)器學(xué)習(xí)工具，證明質(zhì)子動(dòng)量的一小部分(約0.5%)來自粲夸克。

盡管新證據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯著性沒有達(dá)到“發(fā)現(xiàn)”的閾值，但最新數(shù)據(jù)得到了CERN大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)實(shí)驗(yàn)的支持，該實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱，質(zhì)子可能含有粲夸克確實(shí)存在“蛛絲馬跡”。

LHC等粒子加速器上開展的其他物理實(shí)驗(yàn)，也依賴于質(zhì)子結(jié)構(gòu)的精確模型，只有探明了質(zhì)子是否含有粲夸克等謎團(tuán)，物理學(xué)家才能最終在一些最大的“懸案”上取得進(jìn)展。

質(zhì)子有多大

質(zhì)子有多大?這是一個(gè)非常基本的問題，但物理學(xué)家們?nèi)晕丛谶@方面達(dá)成共識(shí)。

此前他們大致同意質(zhì)子的半徑約為0.88飛米(1飛米為千萬億分之一米)，但2010年的一項(xiàng)新測(cè)量打破了這一共識(shí)。瑞士保羅謝勒研究所開展的實(shí)驗(yàn)證明，質(zhì)子比之前認(rèn)為的要小，雖然只小了0.04飛米，但仍是個(gè)巨大差異?？茖W(xué)家們對(duì)此的解釋是：一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)錯(cuò)誤，或存在超越粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。

2010年以后，使用μ子氫的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，質(zhì)子比之前認(rèn)為的要小。2019年，科學(xué)家們發(fā)布了使用電子散射和普通氫躍遷的新測(cè)量結(jié)果，與μ子氫實(shí)驗(yàn)得出的質(zhì)子半徑一致。去年，德國(guó)波恩大學(xué)和達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)科學(xué)家用一種新技術(shù)重新分析了舊數(shù)據(jù)，也發(fā)現(xiàn)了支持更小質(zhì)子的結(jié)果。

質(zhì)子會(huì)衰變嗎

人們所知道的所有其他復(fù)合粒子的生命都是短暫而不確定的。例如中子的“平均壽命”只有15分鐘，隨后就會(huì)發(fā)生衰變。但盡管進(jìn)行了幾十年的探索，但從未有人看到質(zhì)子“老去”。

英國(guó)《新科學(xué)家》網(wǎng)站報(bào)道指出，質(zhì)子是否衰變這一問題與現(xiàn)代科學(xué)的一項(xiàng)偉大任務(wù)——尋找大統(tǒng)一理論有關(guān)。大統(tǒng)一理論將把粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的強(qiáng)核力、弱核力和電磁力統(tǒng)一為單一實(shí)體。在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中，質(zhì)子是穩(wěn)定的。假如存在比標(biāo)準(zhǔn)模型更基本的大統(tǒng)一理論，就會(huì)存在新的力，從而導(dǎo)致質(zhì)子衰變。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)和日本的兩個(gè)物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)試圖尋找質(zhì)子衰變。他們分別在美國(guó)伊利湖下和日本飛彈市的一個(gè)礦場(chǎng)里放置了巨大的水箱，每個(gè)水箱都裝滿了數(shù)千噸超純水，水箱周圍安裝有探測(cè)器，以捕捉黑暗水中可能會(huì)出現(xiàn)的閃光，這可能預(yù)示著質(zhì)子的衰變。但經(jīng)過多年觀察和等待，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是“竹籃打水一場(chǎng)空”。從1996年開始，“超級(jí)神岡”實(shí)驗(yàn)持續(xù)尋找質(zhì)子衰變，但迄今一無所獲。

李玉峰表示：“這些尋找質(zhì)子衰變的實(shí)驗(yàn)雖然在‘主業(yè)’上一無所獲，但它們意外地發(fā)現(xiàn)了大氣中微子振蕩現(xiàn)象的直接證據(jù)，再次說明基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)常常能夠做到‘無心插柳柳成蔭’?！?/p>

盡管如此，物理學(xué)家們還是計(jì)劃建更大的探測(cè)器——“頂級(jí)神岡”實(shí)驗(yàn)，其水箱將容納26萬噸水，并將于2027年開始收集數(shù)據(jù)，最終或許能發(fā)現(xiàn)質(zhì)子衰變的證據(jù)。

“找到上述問題的答案不僅會(huì)改變對(duì)質(zhì)子本身的理解，也可能改變對(duì)宇宙及支配宇宙運(yùn)作基本定律的理解?！崩钣穹鍙?qiáng)調(diào)說。

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