质子|天体物理学家告诉你质子的质量从哪来？( 二 )
不过 ， 我们还可以从结合能的本质上来解释这个事实 。
夸克结合成质子的方式 ， 与我们所知道的其他力相互作用力有着根本上的区别 。 一般物体（注：宏观）之间的引力、电磁力会随着距离缩短而变强 。 但夸克不同 ， 当夸克之间任意接近后 ， 这些吸引力都会变为0 。
本文插图
图解：质子的内部结构 ， 包括了夸克、胶子和夸克自旋 。 核力的作用就像弹簧 ， 当未拉伸时 ， 力可以忽略不计 。 当拉伸时 ， 又会变得很大 。 (图源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
强核力的这种特性被称为渐近自由 ， 而介导这种力的粒子被称为胶子 。 由于未知得原因 ， 质子质量的99.8% ， 来自这些胶子 。 在某种程度上 ， 整体的重量远远超过其各部分的总和 。
一开始听起来似乎不可能 ， 因为胶子本身就是无质量颗粒 。 但是你可以把它们之间产生的力量看作弹簧：当弹簧伸缩量为0时 ， 弹簧不产生弹力 ， 但是形变量越大弹力越大 。 事实上 ， 两个夸克之间的能量 ， 其距离变得太大 ， 它就像额外的夸克/反夸克对存在于质子：海夸克 。
本文插图
当两个质子碰撞时 ， 参与碰撞的不仅仅是夸克 ， 还有海夸克、胶子 ， 以及超越这些的场相互作用 。 所有这些都可以提供对单个组件自旋的见解 ， 并使我们能够在达到足够高的能量和亮度时产生潜在的新粒子 。 (图源：CERN / CMS COLLABORATION)
你们中那些熟悉量子场理论的人可能渴望把胶子和海夸克视为虚拟粒子：用来得出正确结果的计算工具 。 但事实并非如此 ， 我们已经在两个质子或质子和另一个粒子之间的高能碰撞中得到了证明 ， 如电子或光子 。
欧洲核子研究中心大型强子对撞机进行的碰撞也许是对质子内部结构的最大考验 。 当两个质子在这些超高能量碰撞时 ， 它们大多数只是相互传递 ， 无法相互作用 。 但是 ， 当两个内部的点状粒子碰撞 ， 我们可以通过观察碰撞产生的碎片来精确地重建被撞碎的物体 。
本文插图
图源：大型强子对撞机的紧凑型穆恩电磁阀探测器中看到的希格斯玻色子事件 。 这次壮观的碰撞比普朗克能量低15个数量级 ， 但正是探测器的精确测量使我们能够重建在碰撞点（和附近）发生的一切 。 从理论上讲 ， 希格斯给基本粒子带来质量；然而 ， 质子的质量不是由于构成它的夸克和胶子的质量 。 (图源：CERN / CMS COLLABORATION)
不到10%的碰撞发生在两个夸克之间；绝大多数是胶子-胶子碰撞 ， 夸克-胶子碰撞是剩余部分 。 此外 ， 质子中的夸克-夸克碰撞并非都发生在上夸克或下夸克之间；有时涉及较重的夸克 。
虽然这可能让我们感到不舒服 ， 但这些实验给了我们一个重要的教训：我们用来模拟质子内部结构的粒子是真实的 。 事实上 ， 希格斯玻色子本身的发现之所以可能 ， 只是因为这个原因 ， 因为希格斯玻色子的生产主要是由大型强子对撞机（LHC）的胶子-胶子碰撞所支配的 。 如果我们拥有三个要依赖的价夸克 ， 我们会看到希格斯的生产成本比我们不同 。
本文插图
图解：在希格斯玻色子的质量被知道之前 ， 我们仍然可以计算在LHC的质子-质子碰撞中希格斯玻色子的预期生产速率 。 顶部通道显然是由胶子-胶子碰撞生产 。 I(E.Siegel)添加了黄色突出显示区域 ， 以指示希格斯玻色子的发现位置 。 (图源：CMS COLLABORATION (DORIGO, TOMMASO FOR THE COLLABORATION) ARXIV:0910.3489)
推荐阅读
- 南方周末|首个星际天体起源之谜新解
- 科学,黑洞|比黑洞还可怕的天体出现了，黑洞甘拜下风，它们又有什么联系？
- 科学|新视野号+斯巴鲁望远镜：或将能发现100个新的柯伊伯带天体！
- 科学|物理学家首次捕捉到量子纠缠的图像
- 火星一号|一条让人感到绝望的物理定律，物理学家：宁愿没发现它
- 技术力量|美国物理学家证实：信息可以在电子之间实现量子远距离传输
- 智能手机那点事|荣耀V30Pro更新212版本两天体验，为何我选择回退了178版本？
- 新智元|宇宙版比萨斜塔实验，证明爱因斯坦相对论对极端天体同样适用
- SpaceXSpaceX：马斯克定义的“商业”航天体系
- |太阳系边缘地带或隐藏着一颗巨大的天体，科学家：可能是原始黑洞