質子是構成原子核的亞原子粒子之一。質子由更微小的基本粒子組成，稱為夸克。我們已知的夸克有六種。夸克的種類被稱為“味”，它們是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。

發表在最近《自然》雜誌上的一篇重要研究成果發現，質子比我們想象的還要更復雜，該論文展示了質子中時，這種重粒子仍然只攜帶大約一半的質子質量。 論文題為：“質子中內在粲夸克的證據”：

這一發現全部要歸結為量子物理學的概率世界。粲夸克，英文：charm quark，直譯意為“魅力夸克”。它很重，但它又忽隱忽現，在質子中出現的機會很小。所以大的質量和小的機會基本上相互抵消。該研究的量子實驗進一步表明：質子比我們想象的還更有這種“魅力”。即使粲夸克存在，具有這種“魅力”的粲夸克的全部質量也不會被質子佔據。

在量子物理中，粒子在被測量之前不會呈現確定的狀態，而是用概率來描述。如果質子包含內在的粲夸克，那麼在質子中不僅有兩個上夸克和一個下夸克，而且還有一個粲夸克和反夸克的概率很小。由於質子不是單個粒子的明確集合，質子的質量不是其部分的簡單總和。小概率意味著粲夸克和反夸克的全部質量沒有被添加到質子的重量中，這解釋了質子如何可能包含比自身重的粒子。

儘管質子是構成所有物質的原子結構的基礎，但它們非常複雜。物理學家實際上並不知道質子的具體的基本結構。量子物理學認為，除了已知存在的上下夸克之外，其他夸克可能會不時出現在質子中。

在六種夸克中，有三種夸克比質子重，有三種夸克比質子輕。粲夸克是重夸克中最輕的，因此研究人員想從這個粲夸克開始，以確定質子是否可以包含比自身重的夸克。他們通過對35年的粒子粉碎數據採用新方法來做到了這點。

為了解亞原子和基本粒子的結構，研究人員在位於日內瓦附近的世界上最大的原子粉碎機——大型強子對撞機等粒子加速器上，以極快的速度相互拋射粒子。科學家們收集了這些可追溯到1980年代的粒子粉碎數據，其中包括光子、電子、μ子、中微子、甚至其他質子撞擊質子的實驗示例。通過觀察這些碰撞產生的碎片，研究人員可以重建粒子的原始狀態。

在這項新研究中，科學家們將所有這些碰撞數據交給了一種機器學習算法，這種機器算法旨在尋找模式，而無需對結構的外觀有任何先入為主的概念。該算法返回可能的結構以及它們可能實際存在的可能性。

這項研究發現，發現粲夸克的機會“很小但並非微不足道”。證據水平不足以讓研究人員宣佈在質子中發現了粲夸克這一不可否認的發現，但結果又是它可能存在的“第一個確鑿證據”。

研究人員表示說，質子的結構很重要，因為要發現新的基本粒子，物理學家必須發現理論暗示和實際觀察到的微小差異。這需要對亞原子結構進行極其精確的測量。

目前，物理學家仍然需要更多關於質子內難以捉摸的粲夸克“魅力”的數據。美國最重要的物理學研究中心之一、費米實驗室的理論物理學家蒂姆霍布斯表示，未來的實驗，例如計劃在建的布魯克海文國家實驗室的電子離子對撞機，將可能會對此有所斬獲。

在來自世界各地的1300名科學家的幫助下，位於美國長島的布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）將在十年內建造一個全新的加速器，即電子離子對撞機，可以有助於把對原子核的認知提升到一個新的水平。該電子離子對撞機（EIC）將使用一束非常強的電子束作為其探針，它將有可能切開質子或原子核，並觀察其內部的結構。

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