20年前，物理學家開始研究質子內部的一種神秘的不對稱性。他們的研究結果在最近發表了，展示了反物質如何幫助穩定每個原子的核心。

從遠處看，質子似乎是由三種叫做夸克的粒子組成的。但仔細觀察，會發現大量的粒子突然出現又消失。

質子是反物質的一部分，這一點經常被忽視。

我們在學校裡學過，質子是由三種更基本粒子，即夸克組成的（兩個上夸克和一個下夸克），它們的電荷（分別為+2/3和- 1/3）加起來為+1。

事實上，質子內部旋轉的是數目不定的六種夸克，它們帶相反電荷的反物質對應物（反夸克），以及將其他粒子結合在一起的“膠子”粒子。不知為何，這個旋轉的大漩渦最終變得非常穩定。伊利諾伊州阿貢國家實驗室的核物理學家唐納德·蓋薩曼說：“坦白地說，這是一個奇蹟。”

30年前，研究人員發現了這個“質子海”的一個顯著特徵。理論學家曾預計它會包含一種均勻擴散的不同型別反物質；相反，下反夸克的數量似乎明顯多於上反夸克。十年之後，另一組科學家發現了在實際的反夸克比率中令人困惑的變化跡象。但結果剛好在實驗靈敏度的邊緣。

因此，20年前，蓋薩曼和他的同事開始了一項新的實驗來進行研究。這項被稱為“海洋測試”（SeaQuest）的實驗終於完成了，研究人員在《自然》雜誌上公佈了他們的發現。他們比以往更詳細地測量了質子內部的反物質，發現平均每1.4個下反夸克對應1個上反夸克。

其中一個是“介子云”模型，這是一個流行的、已有幾十年歷史的方法，它強調了質子發射和重新吸收被稱為π介子粒子的趨勢，π介子是介子的一種。另一個模型，所謂的統計模型，把質子當作裝滿氣體的容器。

未來的實驗將幫助研究人員在這兩種模型中做出選擇。但無論哪種模型是正確的，“海洋測試”關於質子內部反物質的資料都將立即發揮作用，尤其是對於那些在歐洲大型強子對撞機中以接近光速將質子碰撞在一起的物理學家來說。當他們確切地知道碰撞物體中有什麼時，他們就可以更好地拼接碰撞碎片，尋找新粒子或新效應的證據。阿姆斯特丹自由大學的胡安·羅霍幫助分析大型強子對撞機的資料，他說，海洋測試的結果可能會對尋找新的物理現象有重大幫助，目前我們對質子結構，尤其是反物質含量的瞭解有限。

夸克

大約半個世紀前，物理學家曾一度認為他們已經成功地對質子進行了分類。

1964年，穆雷·蓋爾·曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）分別提出了夸克模型，即質子、中子和相關的罕見粒子是由三個夸克組成的，而π介子和其他介子是由一個夸克和一個反夸克組成的。後來，大約在1970年，斯坦福大學SLAC加速器的研究人員似乎成功地證實了夸克模型。他們向質子發射高速電子，看到電子從質子內部的物體反彈而出。

但情況很快變得模糊起來。當科學家開始越來越多地嘗試測量這三種夸克的性質時，他們發現還有一些其他的東西。

對這三個夸克動量的仔細研究表明，它們的質量只佔質子總質量的一小部分。此外，當SLAC向質子發射更快的電子時，研究人員發現電子會從內部更多的東西上脫離。電子的速度越快，它們的波長就越短，這使得它們對質子更細微的特徵更敏感，就好像它們提高了顯微鏡的解析度。越來越多的內部粒子被揭示出來，似乎是無限的。

當物理學家們發現了夸克模型只是近似的真實理論後（量子色動力學，簡稱QCD），這些結果開始變得更有意義，。QCD於1973年提出，描述了“強力”，即自然界中最強的力，在這種力中，被稱為膠子的粒子將夸克連線在一起。

QCD預測了散射實驗觀測到的大漩渦。因為膠子能感受到它們所攜帶的力（它們在這方面與光子不同，後者攜帶的電磁力更簡單）。這種“內部交易”在質子內部製造了一個“沼澤”，使膠子可以自由地產生、增殖並分裂成短命的夸克-反夸克對。從遠處看，這些間隔緊密、電荷相反的夸克和反夸克相互抵消，不被人注意。只有三個不平衡的“價態”夸克（兩個向上和一個向下）貢獻了質子的總電荷。但物理學家意識到，當他們發射更快的電子時，他們擊中的是小目標。

然而奇怪的事情還在繼續。

自旋膠子使得量子色動力學方程通常是不可解的，所以物理學家們不能計算出理論的精確預測。但他們沒有理由認為膠子應該更頻繁地分裂成一種夸克-反夸克對而不是另一種。

因此，在1991年，日內瓦的新介子合作專案將介子從質子和氘核中分離出來。對比結果，下反夸克比上反夸克更多。

質子部分

理論家們很快就提出了許多可能的方法來解釋質子的不對稱性。

其中一種是π介子。自20世紀40年代以來，物理學家已經看到質子和中子在原子核內來回傳遞π介子，就像隊友互相扔籃球一樣。在研究質子的過程中，研究人員意識到它可以短暫地發射並重新吸收一個帶正電荷的π介子，同時變成一箇中子。如果你在做一個實驗，你認為你在看一個質子，你在欺騙自己，因為在某些時候，質子會波動為中子。

具體來說，質子變成一箇中子和一個介子，由一個上夸克和一個下反夸克組成。因為這個幽靈般的的π介子有一個下反夸克（一個介子包含一個上反夸克不容易物化），像阿爾伯格、傑拉爾德·米勒和託尼·托馬斯這樣的理論家認為介子云的概念解釋了質子測量到的下反夸克過剩的問題。

一個質子可能有一部分時間是作為中子和介子的——這是下夸克-反夸克對的短暫出現所允許的躍遷。（圖片來源：quantz）

其他一些理論也出現了，比如統計模型，把質子內部的粒子當作是房間裡的氣體分子，它們以一種速度分佈的方式擺動，而這種速度分佈取決於它們的角動量是整數還是半整數。當調整到與大量散射實驗的資料相匹配時，該模型預測了下反夸克過量。

這些模型並沒有做出完全相同的預測。質子的大部分總質量來自於進出質子的單個粒子的能量。當計算攜帶更多能量的反夸克時，下夸克和上反夸克的比率會如何變化，模型對此做出了不同的預測。物理學家測量一個相關的量叫做反夸克動量分數。

1999年，費米實驗室的“NuSea”實驗以反夸克動量為函式，測量了該比率。資料表明，在動量足夠大的反夸克中，上反夸克突然變得比下反夸克更普遍。為什麼當那些反夸克獲得了更大的動量時，這條曲線就會開始翻轉？

就在理論學家們撓頭的時候，格薩曼和雷默知道邊緣上的資料有時是不可信的，於是他們開始著手建立一個可以輕鬆探索更大的反夸克動量範圍的實驗。他們稱之為“海上探索”。

在實驗中，質子擊中兩個目標：一小瓶氫，本質上是質子，和一小瓶氘（原子核中有一個質子和一箇中子的原子）。

當一個質子擊中任何一個目標時，它的一個價夸克有時會與目標質子或中子中的一個反夸克一起湮滅。當湮滅發生時，它有一個獨特的特徵，產生一個介子和一個反介子。透過探測另一邊的介子，並重建它們原來的路徑和速度，可以反向計算出反夸克所攜帶的動量分數。

直接比較兩個小瓶的資料就能得到質子中下反夸克和上反夸克的比例。

2019年，阿爾伯格和米勒根據介子云的理論計算出了SeaQuest應該觀測到什麼。他們的預測與SeaQuest的新資料非常吻合。

新資料顯示，這一比例逐漸上升，然後趨於平穩，但並未出現突然反轉。然而，米勒稱這個模型為“描述性的，而不是預測性的”，因為它是為了適應資料而不是為了確定下反夸克過量背後的物理機制。

有的科學家認為統計模型比阿爾伯格和米勒的模型更強大，因為它解釋了散射實驗中粒子的極化以及非極化。米勒強烈反對這種說法，他指出介子云不僅可以解釋質子的反物質含量，還可以解釋各種粒子的磁矩、電荷分佈和衰變時間。π介子機制在廣義上解釋原子核為什麼會存在。

在對質子的終極探索中，決定因素可能是它的自旋，或固有角動量。20世紀80年代末的一項介子散射實驗表明，質子的三個價態夸克的自旋佔質子總自旋的比例不超過30%。“質子自旋危機”是，是什麼貢獻了其餘的70%？一定還有別的什麼東西在進行著。

在費米實驗室，實驗人員將探測質子海的自旋。阿爾伯格和米勒已經開始計算環繞質子的完整“介子云”，其中包括比π介子更稀有的“rho介子”。π介子沒有自旋，但rho介子有，所以它們一定以阿爾伯格和米勒希望確定的方式對質子的整體自旋做出了貢獻。