质子可以容纳比自身重的基本粒子。

艺术家对质子的概念，每个质子都包含上下夸克，碰撞（图片来源：MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY via Getty Images）

新的研究表明，质子可能比我们想象的更有“魅力”。

质子是构成原子核的亚原子粒子之一。 与质子一样小，它们由更微小的基本粒子组成，称为夸克，它们有多种“风味”或类型：上、下、奇异、魅力、底部和顶部。 通常，质子被认为由两个上夸克和一个下夸克组成。

但一项新的研究发现它比这更复杂。 质子还可以包含一个粲夸克，一种基本粒子，其质量是质子本身的 1.5 倍。 更奇怪的是，当质子确实包含粲夸克时，重粒子仍然只携带大约一半的质子质量。

这一发现都归结为量子物理学的概率世界。 粲夸克虽然很重，但它在质子中出现的机会很小，所以质量大和小机会基本上是相互抵消的。 换句话说，即使粲夸克存在，粲夸克的全部质量也不会被质子占据，科学新闻报道。

尽管质子是构成所有物质的原子结构的基础，但它们也非常复杂。 物理学家实际上并不知道质子的基本结构。 量子物理学认为，除了已知存在的上下夸克之外，其他夸克可能会不时出现在质子中，米兰大学的物理学家 Stefano Forte 告诉播客 Nature Briefing。 Forte 是这篇新论文的合著者，该论文展示了质子中粲夸克的证据，该论文于 8 月 17 日发表在 Nature杂志上。

夸克有六种。 三个比质子重，三个比质子轻。 粲夸克是重夸克中最轻的，因此研究人员想从那个粲夸克开始，以确定质子是否可以包含比自身重的夸克。 他们通过对 35 年的粒子粉碎数据采用新方法来做到这一点。

为了了解亚原子和基本粒子的结构，研究人员在位于日内瓦附近的世界上最大的原子粉碎机大型强子对撞机等粒子加速器上以极快的速度相互抛射粒子。与非营利组织 NNPDF 合作的科学家们收集了这些可追溯到 1980 年代的粒子粉碎数据，其中包括光子、电子、μ子、中微子甚至其他质子撞击质子的实验示例。通过观察这些碰撞产生的碎片，研究人员可以重建粒子的原始状态。

在这项新研究中，科学家们将所有这些碰撞数据交给了一种机器学习算法，该算法旨在寻找模式，而无需对结构的外观有任何先入为主的概念。该算法返回可能的结构以及它们可能实际存在的可能性。

Forte 告诉 Nature Briefing，这项研究发现发现粲夸克的机会“很小但并非微不足道”。 Forte说，证据水平不足以让研究人员宣布在质子中发现了粲夸克这一不可否认的发现，但结果是它可能存在的“第一个确凿证据”。

Forte 说，质子的结构很重要，因为要发现新的基本粒子，物理学家必须发现理论暗示和实际观察到的微小差异。这需要对亚原子结构进行极其精确的测量。

目前，物理学家仍然需要更多关于质子内难以捉摸的“魅力”的数据。伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的理论物理学家蒂姆霍布斯告诉科学新闻，未来的实验，例如计划在纽约厄普顿布鲁克海文国家实验室的电子离子对撞机，可能会有所帮助。