原子核由什么组成_原子核结构图

对称性是自然界中一项基础构造的重要特征，不仅体现在数学与艺术之中，亦可见于生命体和星系之中。特别令物理学家感兴趣的是，有些物体从表面看来应该具备对称性，但实际却不然。这样的发现，就如同窥见一个物体在镜中呈现出匪夷所思的镜像一般，令人惊叹不已。质子，作为原子中心的带正电粒子，与中子共同构成核子，成为宇宙可见物质的99%以上的构成要素。质子的研究不仅推动了癌症治疗的质子疗法等技术的发展，也加深了我们对恒星形成和早期宇宙的理解。

质子并非基本粒子，它是由更小的夸克和胶子所组成。夸克共有六种“味”，其中最轻的两种为上夸克和下夸克，它们在核子现的机会最大。

在众多质子的“快照”中，我们观察到质子内包含了三个价夸克：两个上夸克（电荷为+2/3）和一个下夸克（电荷为-1/3）。这仅仅是质子内部结构的简化描绘。实际上，质子内部还充满了紧紧束缚夸克的胶子，以及短暂出现又消失的夸克-反夸克对。

过去，物理学家曾认为反上夸克和反下夸克在质子内的出现概率是相等的，即所谓的“味对称”。自上世纪90年始，实验结果不断表明这种对称性可能会被打破。

为了探测质子内部的反物质存在情况，理论物理学家Sidney Drell和Tung-Mow Yan提出了一种名为Drell-Yan过程的方法。该方法通过一束质子发靶原子上，当质子束中的任何夸克或反夸克与靶原子中对应的反粒子相遇时，便会发生湮灭并产生虚光子。随后，虚光子会衰变成一对粒子，通常是一个电子和一个正电子，或是一个μ子和其对应的反μ子。研究人员通过分析这些粒子对，可以获取关于质子内反上夸克和反下夸克的信息。

近年来，欧洲核子研究中心的NA51实验和费米实验室的E866/NuSea实验均观察到质子内反下夸克多于反上夸克的迹象。尽管这些实验结果具有较大的不确定性，但它们仍为后续研究提供了重要线索。

为了进一步验证这一现象，费米实验室开展了一项新的Drell-Yan实验——E906/SeaQuest。该实验搭建了新的测量μ子-反μ子对实验装置，以扩大对价夸克分数动量的测量范围。通过将质子束靶向液态氢和液态氘（分别由单个质子和质子加中子构成的原子核），研究人员观察到质子束中的夸克与氢或氘中的反夸克发生湮灭，从而释放μ子。

与之前的实验相比，E906/SeaQuest在数值精确度上有了显著提升。新结果表明，每个反上夸克平均对应约1.4个反下夸克。这是目前最精确地描述了质子中反物质概率分布的实验结果。

理论家提出了多种解释这种味不对称的模型。新结果的精确度已足够排除一些不合适的模型，同时突显出两种有潜力的理论模型。

第一个模型涉及“π介子云”，它强调了质子发射和重新吸收π介子的趋势。另一个模型则将质子视为充满气体的容器，内部粒子的运动取决于它们的角动量。这些模型均试图解释在质子中观察到的反下夸克过剩现象。

尽管这些模型做出了不同的预测，但它们都为物理学家提供了新的研究方向。无论哪种模型最终被证实是正确的，SeaQuest实验的结果都将成为粒子物理学的重要里程碑。

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文：探索者小队