原文作者：高海燕
质子存在于所有原子中，因此发现它们含有反物质可能令人感到惊讶。现在看来，质子中反物质的类型并不均衡；关于这一发现，还没有形成一致的理论解释。
质子和中子统称为核子，它们是原子核的组成部分，占宇宙中可见物质的99%以上。它们本身不是基本粒子，而是由夸克和胶子组成。夸克分为几种类型或“味”，其中最轻的——上、下夸克——最有可能在核子中找到。如果你能拍一张质子的快照，你大概只能看到里面有三个“价”夸克（两个上夸克和一个下夸克）。但你也可能看到胶子和夸克-反夸克对（反夸克是夸克的反物质对应物）在质子内瞬间产生又瞬间消失。Dove等人[1]在《自然》上发表论文，描述了他们如何量化质子中不同类型的反物质的概率分布，并报告称反下夸克比反上夸克更普遍。
要简单解释质子内反物质的存在，就要说到胶子，胶子充当强相互作用的介质；强相互作用是将夸克与核子、核子与原子核结合起来的自然基本力。质子内的夸克通过胶子与另一个夸克相互作用：这个胶子可以与其他胶子相互作用，但它也可以分裂成夸克-反夸克对——被称为海夸克（图1a）。没有理由认为形成的上夸克-反上夸克对多于下夸克-反下夸克对，反之亦然，因为上夸克与下夸克的质量非常接近。
图 1 | 质子的内部结构和德雷尔-颜过程（Drell–Yan process）。a. 质子由被称为夸克和胶子的基本粒子组成。三个“价”夸克分为两种类型（味）——上（u）夸克和下（d）夸克；质子包含两个上夸克和一个下夸克。每个价夸克都通过胶子与另一个价夸克相互作用。胶子可以分裂成夸克-反夸克对（海夸克），也可以与其他胶子相互作用（正夸克在图中以红色标记，反夸克以蓝色标记）。b. 在德雷尔-颜过程中，一束质子射向目标原子，质子内的任何夸克或反夸克在碰到目标原子质子内的对应反粒子时会湮灭，从而产生虚光子（瞬时量子涨落）。在此示例中，质子束中一个质子的下价夸克碰到目标质子内一对海夸克中的反下夸克（-d）；为了简单起见，图中只显示了质子中的价夸克和目标质子中的一对海夸克。虚光子衰变成一对粒子——可能是一个μ子和一个反μ子。Dove等人[1]分析了质子射向液态氢和氘时产生的μ子-反μ子对，并得出结论：质子中的反下夸克比反上夸克多。对于这一发现，尚未形成一致的理论解释。
根据这个简单的示意图，质子中上、下反夸克出现的概率是相同的——反夸克据说是味对称的。在20世纪90年代之前，这张图似乎都站得住脚。90年代有若干实验[2-4]给出了诱人的暗示，即这种味对称性有可能被打破。已有各种解释被提出来[5-8]，以解释如何可能发生这种对称破缺。
1970年，理论物理学家西德尼·德雷尔（Sidney Drell）和颜东茂提出一个过程（图1b），它可以用来直接探测质子内部反物质的存在[9]。在此过程中，质子束射向一个靶，例如选定元素的原子。当质子中的任何夸克或反夸克碰到目标原子的核子中的反粒子对应物时，就会湮灭，从而产生一个虚光子——一种瞬时量子涨落，它表现出普通光子的某些特征。接着，这个虚光子会衰变成一对粒子：通常为一个电子和一个反电子（正电子），或者一个μ子和一个反μ子。通过检测和分析以液态氢和氘为靶标的实验所产生的μ子-反μ子对，有可能提取有关质子内部反上夸克和反下夸克概率分布的定量信息，测量依据是反夸克的分数动量（反夸克携带的部分质子动量）。
此前曾进行过两项这样的德雷尔-颜实验：1994年在瑞士日内瓦附近的CERN（欧洲核子研究组织）进行的NA51实验[10]；以及2001年在伊利诺伊州巴塔维亚费米实验室进行的E866/NuSea实验[11]。NA51实验只产生了一个数据点，并表明在实验研究的分数动量下，质子中的反下夸克比反上夸克多。E866/NuSea的数据与该结果一致：然而，这两项研究都存在较大的实验不确定性。此外，E866/NuSea实验涵盖了一系列分数动量，并显示出一个有趣的趋势，分数动量从典型的海夸克值增加到与价夸克相关的值：与反下夸克相比，反上夸克的概率分布似乎从不足转向了过量。理论物理学家尚未就其中原因达成共识[5-8]。
Dove等人现在报道的SeaQuest德雷尔-颜实验（E906）也是在费米实验室展开的，并专门设计用来调查反物质的这种潜在味不对称性。作者建立了一种新的实验仪器来测量μ子-反μ子对，目的是再现和扩大E866/NuSea研究的价夸克分数动量范围。研究人员报告说，与E866/NuSea相比，他们在实验中测量的数量精度有了明显提升，即在不同分数动量下，反下夸克与反上夸克的概率分布比率（该比率直接对应质子中的反物质不对称性）。新的结果明确表明，反下夸克多于反上夸克，在实验的不确定性范围内，这种不对称性对于测量的分数动量值范围似乎是不变的。
E906/SeaQuest的结果提供了迄今有关质子内反物质概率分布的最佳图景，尽管过去几十年取得了进展，但质子的内部结构仍然令物理学家感到惊讶。不过，这些实验结果报告的趋势与E866/NuSea实验中的趋势不相一致，令人不安，需要进一步研究。为了帮助解决这个问题，未来实验的精度至少应该与E906/Seaquest相当。尽管如此，目前实验结果的精度已经足以反驳某些味不对称性模型，并有可能影响那些正在寻找粒子物理标准模型之外的物理发现的对撞机实验[12,13]。
对于已观察到的反物质不对称性，其起源仍然令人难以捉摸。未来的研究应有助于阐明这个问题——例如，通过测量反夸克对质子的一个量子特性——自旋，有何自旋和轨道角动量贡献。最终，通过实验确定的反物质不对称性将与基于量子色动力学（强相互作用理论）第一性原理的计算机模拟预测进行比较，届时这种预测的精度至少可以与E906/SeaQuest的测量结果相媲美。这种比较将是对量子色动力学的一个很好的检验：实验数据与预测的偏差可能意味着理论需要改进。
封面来源：pixabay
参考文献：
1. Dove, J. et al. Nature 590, 561–565 (2021).
2. Amaudruz, P. et al. Phys. Rev. Lett. 66, 2712–2715 (1991).
3. Areneodo, M. et al. Phys. Rev. D 50, R1–R3 (1994).
4. Ackerstaff, K. et al. Phys. Rev. Lett. 81, 5519–5523 (1998).
5. Steffens, F. M. & Thomas, A. W. Phys. Rev. C 55, 900–908 (1997).
6. Basso, E., Bourrely, C., Pasechnik, R. & Soffer, J. Nucl. Phys. A 948, 63–77 (2016).
7. Pobylitsa, P. V., Polyakov, M. V., Goeke, K., Watabe, T. & Weiss, C. Phys. Rev. D 59, 034024 (1999).
8. Alberg, M. & Miller, G. A. Phys. Rev. Lett. 108, 172001 (2012).
9. Drell, S. D. & Yan, T.-M. Phys. Rev. Lett. 25, 316–320 (1970).
10. Baldit, A. et al. Phys Lett. B 332, 244–250 (1994).
11. Towell, R. S. et al. Phys. Rev. D 64, 052002 (2001).
12. Agashe, K. et al. Phys. Rev. D 76, 115015 (2007).
13. Sirunyan, A. et al. Phys. Lett. B 792, 107–131 (2019).
原文以Antimatter in the proton is more down than up标题发表在2021年2月24日的《自然》的新闻与观点版块上
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doi: 10.1038/d41586-021-00430-3
发表于 2021-10-19 22:53
