最近，科學家窺視了質子的内部，得到了迄今為止最完整的質子圖像
在盧瑟福發現每個原子中心的正電荷粒子一個多世紀後，物理學家仍在努力完全理解質子。高中物理老師把它們描述成一個帶正電荷單位的球。這個球實際上是由三種稱為誇克的基本粒子組成的。幾十年的研究揭示了一個更深刻的真相，一個太過怪異，無法用文字或圖像完全描述的真相。麻省理工學院的物理學家邁克·威廉姆斯說，
這是你能想象到的最複雜的事情，你甚至無法想象它有多複雜。
質子是一種量子力學物體，是一種很模糊的存在。在不同的實驗條件下，質子的形式會表現出很大的不同。揭秘質子是幾代人的工作。麻省理工學院的核物理學家理查德·米爾納說，
我們才剛剛開始全面了解這個（質子）系統。
随着研究的繼續，質子的秘密不斷被揭露出來。最近，8月發表的一項重要數據分析發現，質子含有被稱為魅誇克的粒子的痕迹，這些粒子比質子本身更重。
最近，米爾納等人着手将數百次實驗的結果編譯成一系列質子變形的動畫。我們将他們的動畫，試圖揭開它的秘密。
打開質子
1967年，斯坦福線性加速器中心（SLAC）證明了質子含有大量粒子。在早期的實驗中，研究人員向質子投擲電子，觀察到它們像台球一樣反彈。但斯坦福線性加速器可以更有力地抛出電子，研究人員發現它們反彈回來的方式不同。電子撞擊質子的力度足以将其粉碎，并從質子的點狀碎片（稱為誇克）上反彈。這也是誇克确實存在的第一個證據。
SLAC的發現獲得了1990年的諾貝爾物理學獎，在這之後，對質子的研究加強了。迄今為止，物理學家已經進行了數百次散射實驗。他們通過調整轟擊的力度和選擇在爆炸後收集的分散粒子來推斷質子内部的各個方面。
通過使用更高能量的電子，物理學家可以找出目标質子更精細的特征。這樣，電子能量決定了分辨能力。更強大的粒子對撞機可以更清晰地觀察質子。
更高能量的對撞機還能産生更多的碰撞結果，讓研究人員可以選擇輸出電子的不同子集進行分析。這種靈活性被證明是理解誇克的關鍵，誇克在質子内部以不同的動量旋轉。
通過測量每一個分散的電子的能量和運動軌迹，研究人員可以判斷它是否擦過了一個誇克，誇克攜帶了質子總動量的大部分還是隻有一小部分。通過反複的碰撞，他們可以做一些類似普查的事情——确定質子的動量是主要集中在幾個誇克中，還是分布在許多誇克中。
在這些散射事件中，電子的發射方式往往表明，它們撞上了誇克，誇克的動量占質子總動量的三分之一。這一發現與默裡·蓋爾曼和喬治·茨威格在1964年提出的一個質子由三個誇克組成的理論相吻合。
蓋爾曼和茨威格的“誇克模型”仍然是想象質子的一種好的方式。它有兩個“上”誇克（每個誇克帶+2/3的電荷）和一個“下”誇克（帶- 1/3的電荷），質子總電荷為+1。
在這個數據驅動的動畫中，有三個誇克在旋轉。
但誇克模型過于簡單化，存在嚴重缺陷。
例如，當涉及到質子的自旋時，它就失效了。質子有半個單位的自旋，它的上下誇克也是如此。物理學家最初假設兩個上誇克的半單位減去下誇克的半單位必然等于整個質子的半單位。但在1988年，歐洲Muon子合作組織報告稱，誇克自旋加起來遠遠不到1 / 2。同樣，兩個上誇克和一個下誇克的質量隻占質子總質量的1%左右。這些缺陷充分說明了物理學家已經開始認識到的一點：質子遠不止三個誇克。
遠不止三誇克
強子-電子環加速器（HERA）從1992年到2007年在德國運行，它将電子撞向質子的力度大約是SLAC的1000倍。在HERA實驗中，物理學家可以選擇被極低動量誇克反彈的電子，包括那些僅攜帶質子總動量0.005%的誇克。他們确實探測到了它們，HERA的電子從低動量誇克和它們的反物質對應物（反誇克）的漩渦中反彈。
許多誇克和反誇克在翻滾的粒子“海洋”中沸騰。
結果證實了一個複雜而古怪的理論，這個理論當時已經取代了蓋爾曼和茨威格的誇克模型。它是在20世紀70年代發展起來的，是一種作用于誇克之間的“強作用力”的量子理論。該理論将誇克描述為被稱為膠子的帶力粒子捆綁在一起。每個誇克和膠子都有三種“顔色”電荷中的一種，分别被标記為紅、綠、藍；這些帶顔色的粒子自然地相互拉扯，形成一個基團（比如質子），其顔色加起來就是中性白色。這一理論被稱為量子色動力學，簡稱QCD。
根據QCD，膠子可以捕捉到瞬間的能量峰值。在這種能量的作用下，在這對誇克湮滅并消失之前，膠子分裂成一個誇克和一個反誇克（每個誇克都攜帶着微小的動量）。較小的能量峰值會産生動量較低的誇克對，它們的壽命較短。正是這個膠子、誇克和反誇克的“海洋”，讓HERA對低動量粒子有了更敏感的第一手發現。
HERA還發現了質子在更強大的對撞機中的樣子。當物理學家調整HERA以尋找低動量誇克時，這些來自膠子的誇克出現的數量越來越多。結果表明，在更高能量的碰撞中，質子會呈現出幾乎完全由膠子組成的雲團。
膠子以雲狀形式大量存在。
膠子雲團正是QCD所預測的。“HERA數據是QCD描述自然的直接實驗證明，”米爾納說。
但這個年輕的理論的勝利也伴随着一個問題，盡管QCD完美地描述了HERA極端碰撞所揭示的短命誇克和膠子的運動，但該理論對于理解SLAC溫和轟擊中看到的三個持久誇克是無用的。
隻有當強作用力相對較弱時，QCD的預測才容易理解。隻有當誇克非常靠近時，這種強作用力才會減弱，就像在短命的誇克-反誇克對中一樣。弗蘭克·威爾切克、大衛·格羅斯和大衛·波利策在1973年發現了QCD的這一決定性特征，并在31年後獲得了諾貝爾獎。
但對于像SLAC這樣的溫和碰撞，質子就像三個相互保持距離的誇克，這些誇克相互牽拉的強度足以使QCD計算變得不可能。因此，進一步揭開質子三誇克觀點神秘面紗的任務主要落在了實驗家的身上。
迷人的新景象
最近，荷蘭國家亞原子物理研究所和阿姆斯特丹自由大學的胡安·羅霍領導的一個團隊分析了過去50年拍攝的5000多張質子快照，使用機器學習來推斷質子内部誇克和膠子的運動，這種方式避開了理論猜測。
新的研究發現了過去研究人員沒有注意到的圖像背景。在相對溫和的碰撞中，質子剛剛被打破，大部分動量被鎖定在通常的三個誇克中。但一小部分動量似乎來自于一個“魅”誇克和一個“魅”反誇克——巨大的基本粒子，每個粒子都超過整個質子的三分之一以上。
質子有時表現得像五個誇克的“分子”。
短暫的魅誇克經常出現在質子的“誇克海洋”中。但是研究結果表明，這種魅誇克的存在更加持久，在輕微的碰撞中也能被探測到。在這些碰撞中，質子表現為多種狀态的量子混合物或疊加。但它偶爾會遇到一個更罕見的由五個誇克組成的“分子。
關于質子組成的這些微妙細節可能會被證明是重要的。在大型強子對撞機中，物理學家通過将高速質子撞擊在一起，來尋找新的基本粒子；為了理解結果，研究人員需要知道質子的初始成分。偶爾出現的巨大魅誇克會降低産生更多奇異粒子的可能性。
研究人員在2021年計算出，當被稱為宇宙射線的質子從外太空沖到這裡，與地球大氣層中的質子相撞時，在适當的時刻出現的魅誇克将向地球注入額外能量的中微子。這可能會讓正在尋找來自宇宙的高能中微子的觀測者感到困惑。
羅霍通過尋找魅誇克和反誇克之間的不平衡來繼續探索質子。而較重的成分，如頂誇克，可能會産生更罕見、更難以探測的現象。
下一代實驗将尋找更多未知的特征。這将有助于研究人員最終确定質子自旋的起源，并解決關于這個構成我們日常世界大部分的令人困惑的粒子的其他基本問題。
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