中学化学书上说：物质由原子和分子组成，原子由原子核和核外电子组成，原子核由质子和中子组成。不同数目质子中子和电子就构成了不同的原子，也就是不同的元素，才能构成这个神奇的世界。那么质子和中子是否还可以继续再分？原子核中的质子和中子又是靠什么作用聚在一起的呢？
1964年，盖尔曼和茨威格为了研究解释强相互作用（使质子和中子在原子核内聚拢的力），分别独立地提出了夸克模型，指出夸克是更基本的层次，3个夸克可以构成一个重子（质子和中子都属于重子类）。
直到20世纪70年代，夸克模型在理论和实验上都饱受质疑。但是已有一批支持者。意大利物理学家卡比博提出了一套理论：夸克模型也可以解释弱相互作用（另一种基本相互作用），但是后来人们发现卡比博理论预言的一种物理现象在实验上一直没有被找到。1970年，美国理论物理学家格拉肖和伊利奥普洛斯以及马亚尼发表了一篇论文：提出第四种夸克粒子。然而在1974年11月，美国斯坦福直线加速器中心和布鲁海文实验室各自独立地发现了同一种新粒子，新粒子命名为J/ψ（两个实验室各自取得名字合并的结果），后来大量证据表明J/ψ粒子就是由格拉肖预言的粲夸克组成的。
虽然教科书将质子描述为包含三个夸克的亚原子粒子，这些夸克被称为胶子的基本粒子结合在一起。但量子理论预测，质子可以包含其他夸克-反夸克对，包括一些夸克——称为粲夸克——比质子本身质量更大。这些粲夸克被认为是“内在的”，这意味着它们在很长一段时间内都是质子的一部分，而不是通过与质子外部粒子的相互作用产生的。然而，迄今为止，在实验中确认内在粲夸克的尝试尚未成功。
质子的内在粲夸克含量预计将不同于由高能辐射产生的粲夸克-反粲夸克对。例如，当光子在电子-质子碰撞中与胶子融合时。在这样的碰撞中，"外在的 "粲夸克出现在碰撞的中心，因此它们的位置的统计分布，在许多实验中的平均值，在离中心更远的地方消失了。
相反，在20世纪80年代初首次提出的内在粲夸克理论中，在电子和质子或两个质子之间的碰撞中，粲夸克继续沿着母质子的运动方向移动。因此，固有的粲夸克预计会出现在相对于碰撞质量中心的 "前进区域"。事实上，由NNPDF Collaboration的分析所确定的质子中的粲夸克的分布与四十年前首次预测的分布相似。相关研究成果以题为“Evidence for intrinsic charm quarks in the proton”发表在最新一期《Nature》上。
其中，不得不提NNPDF Collaboration是欧洲核子研究中心大型强子对撞机物理计划的关键组成部分。该组织并非以营利为目的，是由国家和国际教育和研究机构以及资助机构（如大学、研究委员会和研究实验室）资助。
【初步解释】
在最基本的层面上，具有内在粲的质子将由一对粲夸克-反粲夸克对，以及两个“上”夸克和一个“下”夸克组成。从理论上讲，应该很容易区分这种内在粲状态和辐射产生的外在状态之间的区别。然而，在实践中，在前区产生的粲夸克可能难以检测到，因此在统计上比出现在中心区的粲夸克更不可能被观察到。
1980 年代初，欧洲介子合作组织测量了质子的粲夸克结构函数，它描述了粲夸克在质子中的动量分布。该团队发现了可归因于内在粲夸克的迹象，但低统计精度使结果不确定。1990 年代的后续实验扩大了进行测量的粒子动量范围，但不可能根据单一的内在粲夸克场景来拟合整个数据集，这被视为反对以下观点的证据：质子蕴含内在粲夸克，然而这些测量结果并不被认为是确定的。
其他类型的数据也暗示了内在粲夸克的存在，比如被称为介子的粒子分布差异的数据。一个具有内在粲夸克的质子（包含两个上夸克、一个下夸克和一个粲夸克-反粲夸克对）可以形成一个介子。相应的反粒子（antiup-charm 或 antidown-charm）不能由内在状态制成，只能通过外在场景生成。这些介子被称为非引导介子。前导介子在前区产生，非先导介子在碰撞中心附近产生。因此它们的分布是不同的，这种差异被称为不对称。在介子的分布中检测到的不对称性可能源于质子的内在粲夸克，但还有其他基于夸克之间联系的粒子产生模型可以解释这种差异，因此这些数据不能被视为确定的内在粲夸克的证明。
图 1. 质子中的反物质向下多于向上
由于几十年来没有明确的证据浮出水面，人们对内在粲夸克趣忽高忽低。过去10年来，不同的模型已用于分析来自许多不同碰撞实验的数据。此类分析试图通过假设质子采用模型中列出的一种或所有形式来限制质子的内在粲夸克含量，但到目前为止，它们得到的结果相互矛盾或不确定。
【质子中内在粲夸克的证据】
NNPDF Collaboration 的研究在这些分析中是独一无二的，因为作者没有对质子成分的分布方式做出任何假设。相反，他们使用了与任何特定模型无关的机器学习技术。在目前的工作中，作者区分了包括粲夸克作为质子一部分的动量分布与仅以辐射方式产生粲夸克的动量分布——并发现了令人信服的证据表明质子中确实存在内在粲夸克。
作者发现，由此产生的粲夸克分布在质子动量的最大部分达到峰值，接近 1980 年代预测的值。正如预期的那样，影响很小，因为内在的粲夸克不到质子总动量的 1%。然而，就粲夸克的质量、方法和分析中包含的数据集而言，结果是可靠稳定的。NNPDF Collaboration 得出结论，质子中存在内在粲夸克，其统计显着性是标准差的三倍（图2）。
图 2. 质子中内在粲夸克的证据
【小结】
在这项工作中，作者提供了质子中内在粲夸克的证据。该研究结果解决了过去 40 年来粒子和核物理学家一直在激烈争论的核子结构的一个基本开放性问题。
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来源：高分子科学前沿
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