人们常常忽略质子，即原子中心的带正电荷的物质粒子，是反物质的一部分。
我们在学校里学过，一个质子是由三个基本粒子组成的，它们分别是两个“上”夸克和一个“下”夸克，它们的电荷(分别为+2/3和- 1/3)结合在一起，质子的电荷为+1。但这种简单化的描述掩盖了一个远为陌生、尚未解决的故事。
实际上，质子内部以六种不同数量的夸克、相对带电的反物质(反夸克)和“胶子”粒子(胶子粒子将其他夸克结合在一起，变形成它们，并很容易繁殖)为旋涡。不知怎么的，这个汹涌的漩涡最终形成了非常稳定的、表面上很简单的三个夸克。伊利诺伊州阿贡国家实验室的核物理学家唐纳德·吉斯曼(Donald Geesaman)说:“这一切是如何实现的，坦率地说，这是一个奇迹。”
30年前，研究人员发现了这种“质子海”的一个显著特征。理论学家曾期望它包含不同类型的反物质的均匀分布;相反，低反夸克的数量似乎明显超过了高反夸克。十年后，另一个研究小组发现了反夸克比率上下变化的迹象。但是实验的结果却接近了实验的敏感性。
因此，20年前，Geesaman和他的同事Paul Reimer开始了一项新的实验来进行调查。这个名为“海洋之旅”的实验终于结束了，研究人员在杂志上发表了他们的发现。他们比以往任何时候都更详细地测量了质子内部的反物质，发现平均每增加一个反夸克就会减少1.4个反夸克。
插图:塞缪尔·贝拉斯科/《广达》杂志
这些数据立即证实了质子海的两个理论模型。“这是第一个支持这些模型的真实证据，”雷默说。
一个是“介子云”模型，这是一种流行的、已有几十年历史的方法，它强调质子发射和重吸收介子粒子的趋势，介子粒子属于一组被称为介子的粒子。另一个模型，所谓的统计模型，把质子当作一个充满气体的容器。
计划中的未来实验将帮助研究人员在这两幅图片中进行选择。但无论哪种模型是正确的，海洋探索中心关于质子内部反物质的硬数据将立即派上用场，特别是对那些在欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider)中以接近光速将质子碰撞在一起的物理学家来说。当他们确切地知道碰撞物体中有什么，他们就能更好地通过碰撞碎片寻找新的粒子或影响的证据。阿姆斯特丹自由大学(VU University Amsterdam)的胡安·罗霍(Juan Rojo)帮助分析LHC数据，他说，海洋探测技术的测量对探索新物理“可能产生重大影响”，目前“我们对质子结构的了解有限，特别是对其反物质含量的了解”。
三的公司在大约半个世纪前的一段时间里，物理学家认为他们已经找到了质子。
1964年，默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出了后来被称为夸克模型的理论，即质子、中子和相关的稀有粒子是由三个夸克(盖尔曼这样称它们)组成的束，而介子和其他介子是由一个夸克和一个反夸克组成的。该方案解释了高能粒子加速器喷射出的不和谐的粒子，因为它们的电荷谱都可以由两部分和三部分组合构成。然后，大约在1970年，斯坦福大学SLAC加速器的研究人员似乎成功地证实了夸克模型，当他们向质子发射高速电子时，看到电子从里面的物体上弹开。
但情况很快变得更加模糊。“当我们开始越来越多地尝试测量这三个夸克的性质时，我们发现还有一些额外的事情在发生，”80岁的查克·布朗说，他是费米国家加速器实验室海洋探索小组的成员，自20世纪70年代以来一直从事夸克实验。
对这三个夸克动量的仔细研究表明，它们的质量只占质子总质量的一小部分。此外，当SLAC向质子发射更快的电子时，研究人员看到电子从更多的内部物体中发射出去。电子的速度越快，其波长就越短，这使得它们对质子粒度越细的特征非常敏感，就像它们提高了显微镜的分辨率一样。越来越多的内部粒子被发现，似乎没有限制。“据我们所知”，还没有最高的分辨率，吉萨曼说。
当物理学家发现夸克模型只近似于量子色动力学(QCD)时，这个结果开始变得更有意义。QCD描述了1973年提出的“强作用力”，即自然界中最强的作用力，在这种作用力中，胶子将夸克束连接起来。
QCD预测的正是散射实验所观察到的大漩涡。复杂的情况出现是因为胶子能感受到它们所携带的力。(它们在这方面与光子不同，光子携带的电磁力更简单。)这种自我交易在质子内部制造了一个泥潭，使胶子可以自由地产生、扩散并分裂成短命的夸克-反夸克对。从远处看，这些距离很近、相对带电的夸克和反夸克相互抵消而不被注意。(只有三个不平衡的“价”夸克——两个向上一个向下——对质子的总电荷有贡献。)但物理学家们意识到，当它们发射更快的电子时，它们击中的是较小的目标。
然而怪事还在继续。
西雅图大学核物理学家玛丽·阿尔伯格(Mary Alberg)和她的合著者长期以来一直在争论介子在确定质子身份方面的重要性。西雅图大学
自交易胶子使得QCD方程通常是不可解的，所以物理学家不能——现在仍然不能——计算出该理论的精确预测。但他们没有理由认为胶子分裂成一种类型的夸克-反夸克对子-下夸克对子-比另一种更频繁。西雅图大学的核理论家玛丽·阿尔伯格(Mary Alberg)在解释当时的推理时说:“我们预计会产生等量的核物质。”
因此冲击的时候,在1991年,新的子分散μ介子在日内瓦协作,较重的兄弟姐妹电子,质子和氘核的(由一个质子和一个中子组成的),结果相比,和推断,似乎比了下反夸克反夸克质子海中戏水。
质子部分理论家们很快就提出了许多可能的方法来解释质子的不对称性。
一个是介子。自20世纪40年代以来，物理学家已经看到质子和中子在原子核内来回传递介子，就像队友互相扔篮球一样，这种活动有助于将介子连接在一起。在研究质子的过程中，研究人员意识到它也可以向自己扔篮球——也就是说，它可以短暂地发射和吸收一个带正电荷的介子，同时转变成一个中子。“如果你在做实验，你认为你看到的是一个质子，你是在欺骗自己，因为某些时候质子会波动成这个中子-介子对，”Alberg说。
具体来说，质子变成一个中子和一个介子由一个上夸克和一个下反夸克组成。因为这个幻像π介子有一个下反夸克(一个含有上反夸克的π介子不可能那么容易被实现)，阿尔伯格、杰拉尔德·米勒和托尼·托马斯等理论家认为，π介子云的想法解释了质子测量到的下反夸克剩余。
插图:塞缪尔·贝拉斯科/《广达》杂志
其他几个争论也出现了。克劳德·布尔利(Claude Bourrely)和法国的合作者开发了统计模型，该模型将质子内部的粒子视为房间里的气体分子，它们以取决于它们拥有整数或半整数角动量的速度分布旋转。当将模型调整到与无数散射实验的数据相吻合时，该模型发现了一个下反夸克过剩。
这些模型并没有做出相同的预测。质子的总质量大部分来自于进入和离开质子海的单个粒子的能量，而这些粒子携带着一系列的能量。当你计算携带更多能量的反夸克时，模型对向下和向上反夸克的比率应该如何变化做出了不同的预测。物理学家测量了一个称为反夸克动量分数的相关量。
1999年，当费米实验室的“NuSea”实验测量反夸克动量的上下比率时，他们的答案“让每个人都兴奋起来”，阿尔伯格回忆道。这些数据表明，在动量充足的反夸克中——事实上，动量如此之大，以致于它们正好位于仪器探测范围的末端——反夸克的上升突然变得比下降更为普遍。“每个理论家都说，‘等一下，’”阿尔伯格说。“为什么，当反夸克获得更大的动量份额时，这条曲线就会开始翻转?”
就在理论学家们挠头的时候，Geesaman和Reimer，他们在NuSea工作，知道边缘的数据有时是不可信的，开始着手建立一个实验，可以轻松地探索更大的反夸克动量范围。他们称之为海洋之旅。
垃圾了关于质子的问题由来已久，但由于资金短缺，他们开始用旧零件组装实验。雷默说:“我们的座右铭是:减少、再利用、再循环。”
他们从汉堡的一个实验室获得了一些旧的闪烁体，从洛斯阿拉莫斯国家实验室获得了一些剩余的粒子探测器，以及在20世纪50年代首次用于哥伦比亚大学回旋加速器的辐射阻断铁板。他们可以重新利用NuSea房间大小的磁铁，还可以利用费米实验室现有的质子加速器进行新的实验。《科学怪人》并非没有魅力。布朗说，指示质子何时进入他们的装置的传呼机可以追溯到50年前，他帮助寻找了所有的碎片。“当它发出哔哔声时，你的肚子会感到温暖。”
核物理学家保罗·雷默(左)参加了费米实验室的SeaQuest实验，该实验主要由使用过的部件组装而成。由费米实验室
渐渐地，他们开始工作了。在实验中，质子撞击两个目标:一瓶氢(本质上是质子)和一瓶氘原子(原子核中有一个质子和一个中子)。
当一个质子击中任何一个目标时，它的一个价夸克有时会与目标质子或中子中的一个反夸克湮灭。雷默说:“当湮灭发生时，它有一个独特的特征，”产生了一个介子和一个反介子。这些粒子，以及碰撞产生的其他“垃圾”，然后遇到这些旧的铁板。“介子可以穿过;其他一切都停止了，”他说。通过探测另一边的μ子，并重建它们最初的路径和速度，“你可以反向工作，计算出反夸克携带的动量分数。”
因为质子和中子是相互镜像的——它们都有向上型粒子，而不是向下型粒子，反之亦然——比较两个小瓶中的数据可以直接看出质子中向下反夸克和向上反夸克的比例——这是在20年的研究之后的直接结果。
2019年，阿尔伯格和米勒根据介子云的想法计算出海洋之声应该观测到什么。他们的预测与最新的海洋探测数据非常吻合。
新的数据显示了一个逐渐上升，然后平稳，下降到上升的比率，而不是突然的逆转，这也与布尔利和公司更灵活的统计模型一致。然而，米勒称这个竞争模型是“描述性的，而不是预测性的”，因为它是为了适应数据而调整的，而不是为了确定下降的反夸克过剩背后的物理机制。相比之下，阿尔伯格说:“在我们的计算中，我真正感到自豪的是，这是一个真实的预测。”“我们没有拨打任何参数。”
在一封电子邮件中，布尔利认为“统计模型比阿尔伯格和米勒的更强大”，因为它解释了散射实验，在这些实验中，粒子都是极化的，也不极化。米勒强烈反对，他指出介子云不仅可以解释质子的反物质含量，还可以解释各种粒子的磁矩、电荷分布和衰变时间，以及“所有原子核的结合和存在”。他补充说，介子机制“在解释原子核为什么存在和我们为什么存在的广义意义上很重要。”
在对质子的终极探索中，决定因素可能是它的自旋，或内在角动量。上世纪80年代末的一个介子散射实验表明，质子的三价夸克的自旋占质子总自旋的比例不超过30%。“质子自旋危机”是:其余的70%是什么贡献的?费米实验室的老前辈布朗说，“肯定还有别的原因。”
在费米实验室，最终在布鲁克海文国家实验室计划中的电子-离子对撞机，实验人员将探测质子海的自旋。阿尔伯格和米勒已经开始计算围绕在质子周围的完整的“介子云”，除了介子外，还包括更罕见的“介子”。介子不具有自旋，但介子具有，所以它们必须以一种Alberg和Miller希望确定的方式对质子的整体自旋做出贡献。
布朗说，费米实验室的SpinQuest实验“几乎已经准备就绪”，该实验涉及许多和SeaQuest一样的人和部分。“如果幸运的话，我们将在今年春天获得数据;这将取决于“——至少是部分地——”对抗病毒的疫苗的进展。有趣的是，细胞核内部如此深奥和模糊的问题取决于这个国家对新冠病毒的反应。我们都是相互联系的，不是吗?”
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