质子的奥妙(下) 17
本系列文章预计会有30个章节,这套文献将系统讲物理学系统本身,这里是第九季第17篇
--预计阅读5min--
接上篇 16,
长久以来,质子内都被认为有3个夸克,具体来说是2个上夸克和1个下夸克。
但根据Nature最新一篇论文,以后恐怕要改了:5个。
再加上一对粲夸克 (Charm Quark)和反粲夸克。
按照现有理论,已知的夸克共有6种,上、下、顶、底、奇和粲,每一种又有对应的反夸克。
但除了上夸克和下夸克外,后面四种因质量太大所以不稳定,一般认为很快就会衰变。
但是这一次,欧洲核子研究组织(CERN)的科学家却表示:发现了质子内部长期存在一对粲夸克-反粲夸克的有力证据。
而且这个证据,还是用机器学习方法找到的。
粲夸克,它是第4种被发现的夸克,排在上、下和奇之后,符号为c。
它的质量1.27 GeV/c2在6种夸克里排第三,带2/3单位的正电荷,自旋与其他夸克一样都是1/2。
(物质的最新结果2023)
我们先来看看万维钢老师对过程的解释:
因为夸克海实在太复杂,没有办法从数学角度直接解方程,有人干脆想了个主意说咱们用大数据分析、用机器学习行不行。
物理学家走这一步可以说是不得已而为之的堕落,因为统计分析的误差比传统的理论和实验都高太多了。
但是有学说总比没学说好。
这个大新闻就是荷兰的几个物理学家,把过去50年间拍摄的5000多张电子-质子碰撞的快照,使用机器学习方法进行一番分析,进一步推测了质子内部的夸克海是什么样的。
结果分析发现,夸克海里有时候甚至会出现一对粲夸克,也就是质量第四重的夸克。
这问题可就大了!
粲夸克的质量比整个质子都要大,相当于整个质子质量的136%。这就相当于夸克海里有时候会冒出一对鲸鱼,每个鲸鱼的重量都超过了整个海洋的重量!
是,量子效应有时候允许你凭空获得一点能量,但是这个能量是不是也太多了?然而这就是机器学习发现的结果。
那么最新的质子图像又变成了下面这样——
一个质子中有3个常驻的高动量夸克,包括两个上夸克和一个下夸克。
这三个常驻夸克之间会不断通过胶子来传递相互作用。
胶子走在路上常常会突然间变成一对正夸克和反夸克,那些凭空变出来的夸克就形成了一片夸克海。
海夸克一般都是质量比较低的,但有时候也会冒出一对大鱼来,居然是两个质量比质子本身都大的粲夸克。
怎么理解这个图像?
你可能会猜测,粲夸克的质量,是不是入射电子的高能量给带来的?
这种可能性不能说没有,但是一方面理论不支持:电子跟胶子又不发生作用,它怎么把能量传递给胶子?
另一方面实验中温和的碰撞也能看到粲夸克。还有一种可能就是机器学习根本不靠谱,还有待进一步实验验证。
表面上无比温顺的质子,哪知道他内心有这等深不可测的波澜。
质子中可能有粲夸克,这对生活有什么意义呢?
最直接的意义是它会影响你的观测结果。
粲夸克被撞击可能会带来额外的中微子。如果宇宙射线打到大气中质子里的粲夸克上,带来这么一个高能的中微子的话,你要不知道质子里就有粲夸克,还以为那个高能中微子来自宇宙,殊不知它实际上来自本地。
这也给将来用大型强子对撞机(LHC)撞什么东西提了一个醒,你得考虑到这一点。
顺便说一句,这一讲所有的实验结果都是在斯坦福直线加速器和德国的强子-电子环形加速器上得到的。
还是那句话,LHC至今没有给我们提供任何一个*意外*发现。LHC花费了那么多钱、有那么多媒体报道,可是它的所有实验结果都是理论物理学家早就想到的。搞科研千万别学LHC。
倒是布鲁克海文国家实验室打算在2030年代启动一个更高级的电子和质子对撞机,那时候可能会有新发现。
听到这里你可能会忍不住想,质子为什么这么复杂?
如果让你来设计宇宙,质子作为这个宇宙中如此普遍的存在、作为构建万事万物最重要的一种砖头,有必要设计得那么复杂吗?其实你应该问的是为什么夸克如此复杂。
夸克是一种基本粒子,只是一个点而已。可是它却有这么多神奇的性质。
夸克有不同的味道,味道决定了它的类型、重量和电荷。它还有“颜色”——不是生活中的颜色,是参与量子色动力学时候的特征。夸克可以传递胶子,而胶子有时候会自己又变出两个夸克来。一种夸克通过衰变还能变成另一种夸克。
日常生活中可没有这样的砖头。为什么宇宙的砖头如此复杂?因为夸克要做的工作很多——
* 它要参加电磁相互作用,它要带电荷,这样我们才有了原子、才有了化学;
* 它要参加强相互作用,这样不同夸克才能组合在一起形成质子和中子,质子和中子才能形成原子核;
* 它还要参加弱相互作用,也就是一个夸克突然间变成另一个夸克,只有这样才会出现放射性衰变,才有可能发生核聚变,太阳才能发光发热;
* 它还必须得参与引力相互作用,这才有了万有引力……
而且夸克的各项设定数值必须配合得无比精巧,才能让组成的质子不会衰变。
一个夸克可能会衰变变成另一个夸克,可是质子却永远都是质子!
你不觉得这太巧了吗?要知道如果质子会衰变,那可就没有一个原子是稳定的,也就谈不上有这么一个相当稳定的世界供我们玩耍了……
你想想,作为宇宙中最基本的一种砖头,夸克竟然能干这么多事。物理学家并不完全理解夸克,我们知道夸克的一些行为和性质,我们可能永远都不会知道夸克本质上是个什么东西。
难道这样的宇宙不值得你探索吗?难道如此精妙的物理学不值得你赞叹吗?
总结:
也许,说质子是一片海洋还有点小了,说不定还是整个宇宙呢。
佛曰:一花一世界,一叶一菩提,天底下,众生平等!你不能用自己所认知的观念去理解世界,你能做的只是仰望~
好,关于质子的话题就到这里啦。
另外再谈个题外话:
今年,9月25日,北京市教委发布《关于深入推进高中阶段学校考试招生改革的实施意见》,其中有这么一条大家关注,尤其是孩子家长。
北京教育部准备落地实施关于中考改革的事宜,关键是“物理“被定义为四大主科之一,现在其他省份还未实施,但是大家要注意啦~
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