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

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本報記者劉霞　

質(zhì)子潛伏于每個原子的核心深處，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。

中國科學(xué)院高能所研究員李玉峰對科技日報記者說：“我們耳熟能詳?shù)馁|(zhì)子身上背負(fù)著多個未解之謎，包括最基本的問題：它由什么組成？它有多大？以及它是否會衰變等。”

質(zhì)子由什么組成

李玉峰指出：“一個簡單并經(jīng)常被提起的質(zhì)子‘畫像’是：兩個上夸克和一個下夸克借助強(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，發(fā)現(xiàn)情況可能更加復(fù)雜：組成質(zhì)子的這3個夸克周圍是一個由其他粒子組成的翻騰的海洋，這些粒子會突然出現(xiàn)和消失。這意味著可能會有其他夸克“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)子對撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)的支持，該實(shí)驗(yàn)報告稱，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。

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)新測量打破了這一共識。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，但仍是個巨大差異。科學(xué)家們對此的解釋是：一個或多個實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)錯誤，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《新科學(xué)家》網(wǎng)站報道指出，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，就會存在新的力，從而導(dǎo)致質(zhì)子衰變。

20世紀(jì)80年代，美國和日本的兩個物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)試圖尋找質(zhì)子衰變。他們分別在美國伊利湖下和日本飛彈市的一個礦場里放置了巨大的水箱，每個水箱都裝滿了數(shù)千噸超純水，水箱周圍安裝有探測器，以捕捉黑暗水中可能會出現(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，這兩個實(shí)驗(yàn)都是“竹籃打水一場空”。從1996年開始，“超級神岡”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’。”

盡管如此，物理學(xué)家們還是計(jì)劃建更大的探測器——“頂級神岡”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改變對質(zhì)子本身的理解，也可能改變對宇宙及支配宇宙運(yùn)作基本定律的理解。”李玉峰強(qiáng)調(diào)說。

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