質子的內部結構大驚奇

費米實驗室E906/SeaQuest的最新實驗結果顯示,質子中的反下夸克數量比反上夸克多。實驗結果於二月24日發表於 Nature

DANIEL DOMINGUEZ/CERN

撰文/陳勁豪

從最簡單的角度來看,質子是由兩個上夸克(up quark)與一個下夸克(down quark)所組成。那為什麼質子中會出現反上夸克與反下夸克,也就是上夸克與下夸克的反物質?因為在質子內部,這三個夸克之間由膠子相互連結。膠子在連接夸克的同時,膠子本身也會不斷產生正反夸克對,然後這些正反夸克對會馬上相互湮滅。因此平均來看,我們並不會察覺到這些正反夸克對的存在。這些不斷產生的正反夸克對的數量極多,因此又被稱為夸克海(sea quark)。所以大致上可以認為質子中的三個夸克其實是位於由一大堆不斷相互湮滅的正反夸克對所形成的夸克海裡面。E906的實驗名稱"SeaQuest"其實也有「探索夸克海」的意思

在這片夸克海裡面,由於上夸克與下夸克的質量差不多,因此一般認為夸克海裡面,反上夸克與反下夸克的出線機率應該相同。這又稱為風味對稱(flavor symmetry)。為了探測質子的內部結構,Sidney Drell與顏東茂教授在1970年代提出了Drell-Yan的方法,用高能質子與質子靶對撞,這時高能質子中的成分夸克(例如下夸克)有可能會跟質子靶中的夸克海所帶有的反下夸克形成正反夸克對,進而相互湮滅產生一個虛光子。這個虛光子會進一步衰變產生正負電子對或正負渺子對。透過測量這些由虛光子所產生的正負電子對或正負渺子對,物理學家可以測量夸克海中反夸克的數量。

過去的實驗發現質子中的反上夸克與反下夸克的數量似乎不相同(flavor asymmetry)。為了確認這個現象,E906/SeaQuest實驗利用高能質子對來轟擊液態氫(質子)與液態氘 (質子加中子),並測量這些由虛光子所產生的正負電子對或正負渺子對。根據實驗結果,E906的物理學家發現明確的證據顯示質子中的反下夸克的數量大於反上夸克的數量,而且這個現象在實驗所測量的反夸克動量範圍都成立。 因此這表示質子的內部結構,也就是夸克海,可能比我們所想像的更為複雜。 

透過對這個問題的進一步研究,物理學家可以對質子結構有更清楚的認識。這對位於瑞士的LHC實驗也是極為重要,因為LHC主要是進行質子對撞。對質子結構的進一步瞭解將可以對LHC的對撞結果有更深入的認識

中研院與高師大物理系均有參加E906/SeaQuest實驗。

原始論文
The asymmetry of antimatter in the proton, Nature volume 590, pages561–565(2021)
參考資料
Antimatter in the proton is more down than up, Nature 590, 559-560 (2021)

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