质子内部到底是什么样的？ 第1页

（长文预警）题主的问题非常好，如果题主早出生50年，说不定就能一下拿两个诺贝尔奖了呢（狗头）

质子内部的结构依赖于观察的能量，如果用低能的眼睛去看，则由三个夸克构成；如果用高能的眼去看，则有无数的夸克和胶子。

本文由以下几个部分构成：

0、背景介绍

1、夸克模型

2、电子-质子深度非弹性散射与部分子模型

3、部分子模型与夸克模型的统一

4、量子色动力学

5、质子内部结构是什么样的呢？

6、总结

0、背景介绍

题主的问题是强子物理非常重要的问题，也是一个非常大的问题，这个问题贯穿了我们对强相互作用认识的过程。问题看起来非常直接，但是答案却不见得很直接。题主的两个问题分别涉及了强相互作用在低能下的两个重要性质：

• 夸克禁闭（confinment），又叫色禁闭。色禁闭的存在使得我们无法把质子切开，把内部成分拿出来直接观测；
• 手征对称性自发破缺。u夸克和d夸克的质量是非常小的，分别是 和 ，但是由两个u夸克和一个d夸克构成的质子却有 左右。另外，通过分析介子谱可以发现， 介子的质量远远小于其它介子。对这个现象做出的合理解释就是QCD中的手征对称性自发破缺，其结果就是夸克获得了一个额外的动力学质量， ，再根据Goldstone定理，每一种连续对称性的破缺都会产生零质量的玻色子，此处即为 介子。

说明：本文只针对题主的“质子内部到底是什么样的？”回答，对于问题补充中的问题，本人已经写过相关的回答了，有兴趣的知友可以在本文末尾找到相关回答链接。

1、夸克模型

本节主要介绍一下夸克模型的历史，以更好的理解为什么要假设存在夸克。我们把参与强相互作用的粒子称作为强子（Hadron)，强子包括介子（Meson）和重子(Baryon)。最先发现的强子就是质子和中子，因为原子核就是由质子和中子构成的，因此很容易被发现。从上个世纪初开始，科学家从宇宙射线中陆续观测到了各种各样的强子，这些强子的性质各不相同，包括质量、衰变周期、自旋、宇称等性质。慢慢的，发现的强子越来越多，大家就开始想能否对这些强子进行分类。对大量类似物质进行分类是一种非常直接的想法，化学中对不同的原子进行分类得到元素周期表就是分类的过程，宏观世界的各种各样的物质，通过对其性质研究分类，最终发现都能由元素周期表中的元素或元素组合构成。其实这样分类的过程本质上是寻找动力学系统基本自由度的过程，得到的基本自由度个数往往比被分类物质的种类小很多。那么同样的，对于大量的强子是不是也能通过分类得到“强子周期表”？如果能得到强子周期表是不是也能找到对应的基本自由度？

答案是肯定的。这些发现的强子，按照自旋的不同，都可以在超荷——同位旋图上进行标记分类，比如说赝标介子八重态和单态：

其中的 介子三重态就可以放到这里面，还有我们熟知的质子和中子可以归结到重子八重态中去：

重子不仅有八重态，还有十重态：

对于每一个图中的粒子，自旋、宇称是相同的，但是质量是不同的，不过质量之间却有一定的关系。实际上，图3中的 粒子最开始并没有被观测到。但是每一张图中的同一行粒子的质量接近，行与行之间的粒子质量差值相似，因此，如果这样的分类是正确的话，就应该存在一个质量在这附近的粒子，后来确实在实验上发现一个差不多质量的粒子，就是 粒子！

既然我们已经做好了这样的分类，那么基本自由度是什么呢？经过一系列的尝试，大家发现夸克模型能作为基本的自由度。夸克模型在1964年分别由默里盖尔曼和乔治茨威格独立提出。

在夸克模型中，通过夸克的各种组合就能得到上面各种图中的各种粒子。比如说：

比如， 介子就是有u夸克和d夸克及其反夸克构成的，质子是由两个u夸克和一个d夸克构成。其它的强子都可以用类似的办法构成。

2、电子-质子深度非弹性散射与部分子模型

夸克模型简单的说是一种对强子分类的模型，由于夸克模型能够成功地解释许多事实，把极为复杂的事情变得非常简单，立即得到人们的普遍重视，于是掀起了一场寻找夸克的热潮。人们用海水和陨石作实验；探测宇宙射线；运用各种高能加速器，希望能找到夸克存在的证据。然而，在1969年以前，什么证据也没有找到。这时，大多数人已经不抱希望，认为找不到夸克存在的证据，只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号，物理方程中的一个数学量而已。

对于“质子内部到底是什么样的”这样的问题，最直接的想法就是去“看一下质子内部”。当然，这个“看一下”的过程并没有那么直接。比较典型的实验方法有深度非弹性散射（DIS, deep Inelastic scattering），简单的说就是用高能电子轰击质子，把电子打入质子内部，通过对末态粒子的分析来反推质子内部结构。

实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。电子-质子深度非弹性散射实验显示出核子的结构函数具有无标度现象。这是现实质子（或者说核子）具有结构的重要信息。这些实验激发了当时的理论学家对于核子结构的热烈讨论，其中1969年费曼提出了著名的“部分子模型”是最富有成效的。

“部分子模型”也成为描述高能反应中以极高速度运动的核子内部结构的标准动力学图像。 依照部分子模型，一个接近光速运动的核子可以看作是由一束高速运动的自由点粒子即部分子所构成， 高能反应通过这些部分子之间的相互作用而发生. 强子内部分子的性质由部分子分布函数(parton distribution function,PDF) 来描述。 PDF直观地定义为强子内携带动量分数x的某类部分子的数密度.

深度非弹性实验有三个重要的发现，通过与理论模型的对比，可以的出关于质子的重要结论：

1. 布约肯标度无关性(Bjorken scaling)：结构函数与标度q无关的性质。 由于1/q是虚光子的康普顿波长，是时空分辨率的标志, 布约肯标度无关性表明， 当时空分辨率达到一定值时，继续提高分辨率,看到的东西不再变化。这表明探测到的物体在此分辨率下已表现为点粒子. 实验目前达到的 ，在此分辨率下，构成质子的点粒子仍表现为点粒子.
2. Callan-Gross关系：QED计算表明，它成立的条件是与电子碰撞的点粒子自旋为1/2， 实验遵从Callan-Gross关系的事实表明构成质子的点粒子是自旋为1/2的费米子.
3. Gottfried求和规则：实验显示， Gottfried求和规则近似成立，表明构成质子的点粒子带分数电荷.

综合这3个实验发现得到质子结构的清晰图像：

质子是由自旋为1/2、带分数电荷的更微小的点粒子构成。

3、部分子模型与夸克模型的统一

电子-核子深度非弹性散射实验显示核子是由自旋为1/2的部分子组成的，而在夸克模型中所有强子包括核子在内都是由夸克构成的，那么实验上看到的部分子就是夸克模型中的夸克吗？这两种模型具有什么样的关系呢？

实际上，部分子模型和夸克模型是一致的。我们可以将部分子等同于夸克。这样的核子模型成为夸克-部分子模型。夸克模型中核子是由三个夸克构成的：质子为uud，中子为udd，而部分子模型中核子内的部分子数量没有一定的限制。为了将这两个模型统一起来，我们可以将核子视为这样的构成体，即核子中除了显示其“特性”的夸克uud和udd外，还包括大量处于不断产生和湮灭中的正反夸克对。其中标志核子特性的夸克uud和udd被称为价夸克，而处于不断产生和湮灭中的正反夸克对成为海夸克，他们处于不断涨落的“海”中。海夸克是由于量子涨落才出现的，只有高能电子轰击质子时才能感受到海夸克的存在。可以认为夸克模型是核子模型的低能图像，而部分子模型是核子结构的高能图像。

定义 , , 等为质子中相应夸克带有动量为质子动量 倍时的数量(密度)， , , 为反夸克的数量。其中 为无穷大动量坐标系中夸克携带的动量占质子总动量的分数。因为质子中处于“海”中的夸克正反数量是相等额，所以正夸克的总数减去反夸克的总数应该等于质子中的价夸克数量：

(质子中两个u价夸克)

(质子中一个d价夸克)

(质子中没有s价夸克)

质子中每一种夸克所带动量的平均分输（可以简单的理解为此种夸克的百分比）

实验结果给出的在质子中：

，

大约为百分之几，其它夸克更重，所以占得比重更小，就忽略不计。但是这三者加起来也才占了一半左右，离1还有很远。也就说，除了u夸克、d夸克、s夸克之外，质子中还有其它很重要的成分。那么这个成分是什么呢？虽然暂时还不知道是什么，但是可以推测这种物质的一些性质：电子只参与电磁相互作用与弱相互作用，既然电子无法探测到这种物质，那就说明这种物质电中性，也不参与电弱相互作用。

4、量子色动力学

电子-质子深度非弹性散射实验表明了质子内的部分子具有“渐进自由”的性质，简单地说，部分子之间越接近，强作用力越弱。当部分子之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。反之，部分子之间距离越大，强作用力就越强。

1973年，美国科学家格罗斯（David Jonathan Gross，1941- ）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）、威尔茨克（Frank Wilczek，1951- ）发现SU(3)色规范群下的非阿贝尔规范群具有渐进自由的性质，由此建立了描述强相互作用的理论——量子色动力学（QCD，Quantum Chromodynamics）。他们也因此获得了2004年的诺贝尔物理学奖。

QCD中有两类基本的自由度，或者两类粒子：

• 夸克，费米子，自旋1/2，也就是夸克模型中的夸克；
• 胶子，自旋为1，玻色子，是传递强相互作用的媒介粒子。

实际上，电子-质子深度非弹性实验中没有被探测到的粒子就是胶子。QCD解释了胶子（gluon）的存在（胶子是强子中的电中性粒子，其作用是使夸克粘合而形成强子，胶子有八种态），认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反夸克之间通过胶子而结合在一起。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

所以，我们现在知道了质子内部的成分，有价夸克，海夸克，还有胶子。

5、质子内部结构是什么样的呢？

现在我们再回到题主的问题上来。对于这个问题的回答，下面一张图就足够了：

这张图来自于实验与理论。这张图怎么理解呢？为了非专业人士也能理解，下面用不是很严谨的语言来通俗的描述。图的横坐标为能量，纵坐标为相应成分占的比重。 为u价夸克， 为d价夸克， 为胶子（图中已经缩放了20倍）， 为海夸克（图中已经缩放了20倍）。

当x很大，接近与1时，胶子和海夸克的比重小于u夸克和d夸克，且迅速趋向于零。此时，质子内的主要成分为u和d的价夸克，而且图上可以看出，u夸克的比重是d夸克的两倍左右，这与夸克模型中质子由uud组成一致。

由于量子场论真空激发的基本性质，当时空分辨率足够高时，人们可以“看到”真空激发产生的海夸克、反夸克和胶子， 此时质子不再是单纯地由3个夸克构成， 而是由3个价夸克与无穷多海夸克、反夸克和胶子构成，而且这些真空激发产生的粒子的数目随着时空分辨率的提高而增加。 在研究质子的整体静态性质时， 海夸克、反夸克和胶子的物理效应不明显；但在高能反应过程中， 由于相对论时间延缓效应, 它们在高速运动的质子内存在的时间延长， 在某些运动学区域内甚至起到主导作用.

6、总结

虽然上面说了很多，但是对于质子内部结构，我们知道的信息还是很有限的。原则上，我们可以通过QCD推导出质子的内部结构，但是QCD在低能下的非微扰性质使得数学上的计算非常复杂，所以很遗憾，目前为止还无法通过第一性原理知道完整的导出质子内部结构。

核子（包括质子和中子）是可见宇宙的主要构成基础单元，其内部结构的研究室当代粒子物理学最前沿的课题之一。对于核子内部结构的研究促进了量子色动力学的产生与发展，也不断的更新人们对于宇宙的认知。

还是那句话

革命尚未成功，同志仍需努力

对于“质子和中子内部夸克质量远小于核子质量，其余的质量又是从何而来？”的回答

参考文献：

1、宋玉坤，周剑，梁作堂。 质子结构与质子自旋组成是什么? 科学通报，2018年，第63卷，第24期：2546~2556

2、杜东生，杨茂志。粒子物理导论。

3、

4、

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