質子是一種會出現在每個原子中心的帶正電荷的粒子，它是原子核的組成部分，占宇宙可見物質的99%以上。質子也是自然界中唯一穩定的復合基礎構件。可以這么說，深入了解這種粒子和它的結構，將對所有物理學領域帶來深遠的影響。

然而，核物理學家已經證實，目前對質子結構描述的進展并不是一帆風順。

托馬斯·杰斐遜國家加速器設施針對質子的電極化率進行的一項新的精確測量顯示，在探測質子結構的數據中存在一個異常的凸起。盡管在早期的測量中已經看到了這一現象，但當時普遍認為那是一種統計上的偏差。然而，近期更精確的測量卻再次證實了這種異常現象的存在，并提出了關于它的來源的關鍵問題。研究論文已發表在《自然》上。

復雜的內部

我們可能經常會看到這樣一幅示意圖，它描繪了質子內部的基本構成，也就是三個夸克。

常見的質子內部結構簡化示意圖。

當然，這極大地簡化了實際情況。事實上，質子內部的夸克被強相互作用束縛，量子色動力學（QCD）理論描述了這種相互作用是如何以膠子作為媒介的，這個過程類似于量子電動力學（QED）中光子介導了電磁相互作用的方式。

質子內部實際上相當復雜，膠子將夸克緊緊束縛在一起，而膠子和被束縛的粒子之間同樣會產生相互作用，此外，它的內部還可能短暫出現又隨即消失的夸克-反夸克對。

但與光子不同的是，膠子與它們束縛的粒子之間同樣會產生相互作用。這就讓計算的難度陡增，并且常常讓直接的QCD碰撞預測超出現有算力的范疇。

因此，研究人員通常需要依賴近似的方法，其中之一就被稱為手性有效場論。根據手性有效場論，他們可以推測出質子許多可能的行為模式和屬性。

測量極化率

與尺寸或電荷一樣，電極化率也是質子結構的一項基本屬性。對質子的電極化率的測量，揭示了質子在電場中對變形或拉伸的敏感程度。

更重要的是，對質子電極化率的精確測定，可以幫助彌合對質子的不同描述。我們還是把質子想象成一個模型，中間是三個平衡的夸克。現在，將它放進電場中。夸克帶有正電或負電，它們會向相反的方向移動。因此，電極化率能反映質子有多容易被電場扭曲。這也就能幫助我們探測質子的次級結構。

為了探測這種扭曲，核物理學家使用了一種叫作虛擬康普頓散射的過程。在虛擬康普頓散射中，電子通過發射一個高能光子（光的粒子）而與其他粒子產生相互作用。電子的能量決定了它所發射的光子的能量，這也決定了光子如何與其他粒子相互作用。

在虛擬康普頓散射反應中產生的真實光子，為質子帶來了電磁擾動，從而讓科學家測量質子的電磁廣義極化率。（圖／Nikos Sparveris, Temple University）

能量較低的光子可能會從質子的表面反彈回去，而能量較高的光子則會在質子內部爆炸，與質子的一個夸克發生相互作用。理論預測，隨著越來越深入原子，電極化率應該越小，因為結構會變得越“硬”。當這些光子-夸克相互作用按照從低能量到高能量被繪制出來時，它們將形成一條平滑的曲線。

早在2000年，一組研究人員已經利用電子和液氫之間碰撞產生的虛擬光子的康普頓散射來測量質子的電磁廣義極化率。如果質子具有那種傳統結構，這項測量結果似乎與手性有效場論所預測的散射模式并不一致。但它帶有很大的不確定性，很多人對這一結果仍有所保留。

這項新的研究以更高的精度重復了康普頓散射實驗。它始于杰斐遜實驗室的連續電子束加速器設施的一束精心控制的高能電子束。這些電子被送入質子中碰撞。

然而，那種簡單的圖景似乎真的經不起推敲。測量結果同樣發現了一個尚未被解釋的凸起。科學家真正看到的是，極化率的大小出現了一些局部增強。正如預期的那樣，隨著能量的增加，極化率會下降。而且，在某個時候，在它即將下降之前，它似乎又短暫地上升了。

和先前的實驗相比，新的實驗中這個凸起要小一些。但總的說來，實驗所得的結果好像的確偏離了那種理論預測的簡單行為。而這就是目前最讓科學家感到困惑的事實。

未知的因素

仍有一些物理學家對這一結果持懷疑態度，顯然，還需要更多高精度的實驗，進一步弄清這種異常現象的細節。

如果這種異常最終被證實，這或許告訴我們，強力的一個未知方面可能在起作用，而目前的理論在這一點上顯然少了一些東西。研究人員相信，更多理論見解或許很快就會出現。

研究人員下一步計劃是繼續更精密探測，檢查其他的偏差點，并提供更多關于異常現象來源的信息。這對于進一步闡明理論相當重要。