質子的質量從何而來？
整體應該等於部分之和，但是質子不是。原因如下。
整體等於部分之和。從星繫到行星、到城市、到分子、再到原子，都是如此。如果你把任何一個系統的所有組件全都單獨拎出來看一看，就能清楚地看到它們是如何結合在一起並構成整個系統的。這就是總量等於它所有不同的部分加起來的量。
可質子並不遵循這樣的規則。
質子由3個夸克組成，但是如果把這3個夸克的質量加起來，你會發現這個數字不但不等於質子的實際質量，而且兩者相差甚遠。
那為什麼質子不遵循「總數等於部分之和」這個規律呢？這就是巴里·達菲要我們解決的問題——
質子內部發生了什麼？為什麼它的質量超過了組成它的夸克的質量之和呢？
為了找出答案，我們必須要做一些深層次的了解。
圖解：人體的組成，事關原子的數量與質量。我們身體的整體，等於身體各個部分的總和，直到小到一個很基礎的尺度才不是如此。在這個尺度上，我們就能發現實際上我們比各部分的組成之和大一些。
(ED UTHMAN, M.D., VIA WEB2.AIRMAIL.NET/UTHMAN (L); WIKIMEDIA COMMONS USER ZHAOCAROL (R))
從我們自己的身上可以得到一個提示——如果把自身細分得越來越小，你就會發現，在質量這方面，整體等於各部分之和。你身體的骨骼，脂肪，肌肉和器官加起來就是一個完整的人。進一步細分下去，就算到細胞的層次，把各部分質量加起來依然等於你現在的體重。
細胞可以被分為細胞器，細胞器由單個的分子組成，分子又由原子組成，在各自的層次上，這些整體的質量和部分質量的總和沒有區別。但是到了原子以下，質子、中子和電子層次的時候，有趣的事情發生了。在那個層次，有一個微小但非常明顯的差異：單個質子、中子和電子從整個人體中偏離 1％左右。這種差異是真實的。
圖解：從宏觀尺度到亞原子，基本粒子的大小在決定複合結構的大小方面起的作用微乎其微。構建基塊是否真正具有基本面和/或點狀粒子仍不得而知。(圖源：MAGDALENA KOWALSKA / CERN / ISOLDE TEAM)
與所有已知的生物一樣，人類也是碳基生命形式。碳原子由六個質子和六個中子組成，但如果你測一下碳原子的質量，它大約比組成它的各個成分的總和輕0.8%。罪魁禍首是核約束性能源；當你把原子核結合到一起時，它們的總質量比構成它們的質子和中子的質量之和要小。
碳是由氫聚變成氦，然後再由氦聚變而來；大多數類型恆星在主序星與紅巨星階段都會通過這種過程釋放能量。由愛因斯坦的E = mc²可知，這種「質量虧損」是恆星能量的來源。當恆星在燃燒時，它們會製造出更加緊密結合的原子核，以輻射的形式釋放出能量。
圖解：在天琴座第二和第三亮的恆星，藍色巨型恆星謝利亞克和蘇拉法特之間，環形星雲在夜空中閃耀。在恆星生命的所有階段，包括巨相，核聚變為恆星提供動力，核與核將更加緊密地結合，通過E = mc²將質量轉化為能量的輻射所發射的能量將更加緊密。(圖源：NASA, ESA, DIGITIZED SKY SURVEY 2)
大多數類型的結合能的工作原理是這樣的：將結合在一起的東西拆開時會遇到困難，原因是因為它們在被連接在一起時釋放出了能量，而你必須把這部分能量重新歸還給它們，才能將它們拆開。
看一看構成質子的粒子——它們核心的兩個上夸克和一個下夸克——它們的組合質量只有質子整體質量的0.2%，結合能就是產生這麼一個令人費解的事實的原因。
不過，我們還可以從結合能的本質上來解釋這個事實。
夸克結合成質子的方式，與我們所知道的其他力相互作用力有著根本上的區別。一般物體（註：宏觀）之間的引力、電磁力會隨著距離縮短而變強。但夸克不同，當夸克之間任意接近後，這些吸引力都會變為0。
圖解：質子的內部結構，包括了夸克、膠子和夸克自旋。核力的作用就像彈簧，當未拉伸時，力可以忽略不計。當拉伸時，又會變得很大。(圖源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
強核力的這種特性被稱為漸近自由，而介導這種力的粒子被稱為膠子。由於未知得原因，質子質量的99.8%，來自這些膠子。在某種程度上，整體的重量遠遠超過其各部分的總和。
一開始聽起來似乎不可能，因為膠子本身就是無質量顆粒。但是你可以把它們之間產生的力量看作彈簧：當彈簧伸縮量為0時，彈簧不產生彈力，但是形變量越大彈力越大。事實上，兩個夸克之間的能量，其距離變得太大，它就像額外的夸克/反夸克對存在於質子：海夸克。
當兩個質子碰撞時，參與碰撞的不僅僅是夸克，還有海夸克、膠子，以及超越這些的場相互作用。所有這些都可以提供對單個組件自旋的見解，並使我們能夠在達到足夠高的能量和亮度時產生潛在的新粒子。(圖源：CERN / CMS COLLABORATION)
你們中那些熟悉量子場理論的人可能渴望把膠子和海夸克視為虛擬粒子：用來得出正確結果的計算工具。但事實並非如此，我們已經在兩個質子或質子和另一個粒子之間的高能碰撞中得到了證明，如電子或光子。
歐洲核子研究中心大型強子對撞機進行的碰撞也許是對質子內部結構的最大考驗。當兩個質子在這些超高能量碰撞時，它們大多數只是相互傳遞，無法相互作用。但是，當兩個內部的點狀粒子碰撞，我們可以通過觀察碰撞產生的碎片來精確地重建被撞碎的物體。
圖源：大型強子對撞機的緊湊型穆恩電磁閥探測器中看到的希格斯玻色子事件。這次壯觀的碰撞比普朗克能量低15個數量級，但正是探測器的精確測量使我們能夠重建在碰撞點（和附近）發生的一切。從理論上講，希格斯給基本粒子帶來質量；然而，質子的質量不是由於構成它的夸克和膠子的質量。(圖源：CERN / CMS COLLABORATION)
不到10%的碰撞發生在兩個夸克之間；絕大多數是膠子-膠子碰撞，夸克-膠子碰撞是剩餘部分。此外，質子中的夸克-夸克碰撞並非都發生在上夸克或下夸克之間；有時涉及較重的夸克。
雖然這可能讓我們感到不舒服，但這些實驗給了我們一個重要的教訓：我們用來模擬質子內部結構的粒子是真實的。事實上，希格斯玻色子本身的發現之所以可能，只是因為這個原因，因為希格斯玻色子的生產主要是由大型強子對撞機（LHC）的膠子-膠子碰撞所支配的。如果我們擁有三個要依賴的價夸克，我們會看到希格斯的生產成本比我們不同。
圖解：在希格斯玻色子的質量被知道之前，我們仍然可以計算在LHC的質子-質子碰撞中希格斯玻色子的預期生產速率。頂部通道顯然是由膠子-膠子碰撞生產。I(E.Siegel)添加了黃色突出顯示區域，以指示希格斯玻色子的發現位置。(圖源：CMS COLLABORATION (DORIGO, TOMMASO FOR THE COLLABORATION) ARXIV:0910.3489)
和往常一樣，我們還有很多東西需要學習。我們目前有一個質子內典型膠子密度的實體模型，但如果我們想要知道膠子實際上更可能位於何處，這需要更多的實驗數據，以及更好的模型來比較數據。理論家比約恩·申克和海基·曼蒂薩里的進展或許能夠提供那些需求高的模型。正如梅恩蒂薩里所詳述的:
「質子內的平均膠子密度有多大,這是非常準確的。不知道的是膠子在質子內部的確切位置。我們模擬三個[價]夸克周圍的膠子。然後，我們通過設置膠子云的較大程度以及它們之間的距離來控制模型中表示的波動量…我們的波動越多，這個過程[產生J/ ψ 介子發生]的可能性就越大。」
圖源：世界第一個電子-電子子對撞機(EIC)的示意圖。在布魯克黑文的相對論重子對撞機(RHIC)中加入電子環（紅色）將創建eRHIC:一個擬議的深度無彈性散射實驗，可以顯著提高我們對質子內部結構的了解。(圖解：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY-CAD ERHIC GROUP)
這一新的理論模型和不斷改進的大型強子對撞機（LHC）數據的結合,將能更好地使科學家了解質子、中子和核的內部、基本結構,從而了解已知物體的質量。宇宙來自從實驗的角度來看，最大的好處將是下一代電子-電子對撞機，這將使我們能夠進行深度無彈性散射實驗，以揭示這些粒子的內在組成，這是前所未有的。
但還有另一種理論方法,可以帶我們更遠進入理解質子質量的來源的領域：格點QCD。
圖解：通過實驗改進和新的理論發展，已經更好地理解了質子的內部結構，包括"海"夸克和膠子的分布方式。(圖源：BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)
量子場理論描述的強力——量子色動力學(QCD)——的難點是，我們做計算的標準方法是不好的。通常，我們會看看粒子耦合的影響：帶電夸克交換一個膠子，並調節力。它們可以以一種產生粒子-反粒子對或額外的膠子的方式交換膠子，這應該是對一個簡單的單膠交換的修正。它們可以創建額外的對或膠子，這將是高階校正。
我們稱這種方法在量子場理論中具有擾動性擴展，認為計算更高階的貢獻將給我們一個更準確的結果。
圖解：如今，Feynman 圖表用於計算跨越強力、弱力和電磁力的每個基本相互作用，包括在高能和低溫/濃縮條件下。但是這種方法依賴於擾動擴展，對於強交互來說其效用有限，因為當您為 QCD 添加越來越多的循環時，此方法會分散而不是收斂。.(圖源：DE CARVALHO, VANUILDO S. ET AL. NUCL.PHYS. B875 (2013) 738–756)
但是這種方法對量子電動力學(QED)非常有效，但它在QCD中卻失敗了。強力的工作方式不同，因此這些修正非常迅速。添加更多術語，而不是向正確答案趨同，偏離並帶您遠離它。幸運的是，有另一種方法來解決這個問題：使用一種叫做格點QCD的技術，不擾動地。
通過將空間和時間視為網格（或點格），而不是連續體，其中晶格任意大，間距任意小，您可以巧妙地克服此問題。在標準、擾動的 QCD 中，空間的連續特性意味著您失去了在小距離上計算交互強度的能力，而晶格方法意味著在晶格間距的大小處存在截止。夸克存在於網格線的交點；沿著連接網格點的連結存在膠子。
隨著計算能力的提高，您可以縮小晶格間距，從而提高計算精度。在過去的三十年中，這項技術導致了固體預測的爆炸，包括光核的質量以及特定溫度和能量條件下的聚變反應速率。質子的質量，從第一原理，現在可以理論上預測到2%以內。
圖解：隨著計算能力和萊迪思QCD技術隨著時間推移而提高，質子的各種數量（如其分量自旋貢獻）的精度也不斷提高。通過減小晶格間距大小（只需提高所使用的計算能力即可完成），我們不僅可以更好地預測質子的質量，還可以預測所有重子和介子的質量。(圖源：LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE CLERMONT / ETM COLLABORATION)
確實，單個夸克的質量是由它們與希格斯玻色子耦合決定的，甚至不能占質子質量的1%。相反，由夸克和膠子之間的相互作用所描述的強大的力量實際上對所有這些力量負責。
強大的核力是整個已知宇宙中最強大的相互作用。當你進入像質子這樣的粒子時，它非常強大，以至於它——不是質子組成粒子的質量——對宇宙中正常物質的總能量(因此質量)負有主要責任。夸克可能像點一樣，但相比而言質子是巨大的：直徑為8.4×10-16米。限制其成分粒子，這是強力的結合能量，是導致質子質量的99.8%。
作者: medium
FY: 克里斯汀娜
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