质子内部其实是空荡荡的 ， 我们想象中的那种碰撞从未发生 。
大型强子对撞机（Large Hadron Collider）确实很庞大 ， 它的周长有17英里（约27.3千米） ， 是这个星球上最大的对撞机 。 但是它名字后部分有一定的误导性 。 这是因为在LHC中对撞的只是强子内部很小的部分 ， 而不是强子本身 。
强子是由夸克和胶子组成的复合粒子 。 其中胶子传递着强相互作用力 ， 让夸克紧紧地粘在一起 ， 形成单个粒子 。 LHC中最主要的对撞粒子是被称为质子的强子 。 质子由三个夸克和难以计数的胶子组成 。 （质子又进一步组成原子 ， 而原子构成世界万物）
如果把一个质子放大到篮球那么大 ， 它看起来会显得空荡荡 。 和原子一样 ， 质子也几乎完全是空的 。 质子中的单个夸克和胶子是非常小的 ， 只有不到整个质子直径的万分之一 。
“质子的内部就像是你周围的空气 ， “杜伦大学理论学家理查德·鲁伊斯说 。 “是真空和微观粒子的混合 ， 总而言之 ， 没有实在的体积 。 ”
”但是如果你把这些粒子放入一个气球中 ， 你会发现气球膨胀了 。 虽然质子内部的粒子很微小 ， 但是它们彼此之间存在着相互作用并向它们周围施加了作用力 ， 这不可避免地产生了某种拥有可观测体积的物体 。 ”
那么我们如何让两个实际是真空的物体碰撞呢？我们做不到 ， 但幸运的是 ， 我们并不需要一次经典碰撞来解放一个粒子所有的潜能 。
在粒子物理学中 ， “碰撞”一词可以理解为两个质子滑过彼此 ， 它们的基本组成部分离得相当近而可以相互“交谈” 。 如果它们的声音足够响亮并以一个正确的方式产生共鸣 ， 它们能够激发隐藏在幕后的量子场 ， 让它以自己的声调来回应——也就是产生了新的粒子 。
“这非常像音乐 。 ”鲁伊斯说 ， “整个宇宙就是复杂和谐的交响曲 ， 彼此之间相互呼应 。 我们可以轻易地产生中间调 ， 对应质子和介子 ， 但是某些音符非常高 ， 它们需要很大的能量和精确的条件来共鸣 。 ”
真空中充满了量子场 ， 当它以正确的能量振动时可以短暂地产生一个粒子 。 这样的场大多在幕后 ， 但发挥着非常重要的作用 。 例如 ， 希格斯场与其他粒子相互作用来赋予它们质量 。 但是一个希格斯粒子只会在希格斯场发生正确共鸣时出现 。
当质子在LHC的碰撞中相遇 ， 它们分解 ， 其中的夸克和胶子飞出 。 它们相互作用 ， 从真空中激发出更多的夸克和胶子 ， 最后形成一大批高速运动的强子 。
这个亚原子共生现象能在LHC中实现并通过实验记录下来 ， 但是它并不仅局限发生在实验室环境中 。 粒子也会被超新星残骸这样的宇宙源加速 。 “这发生在宇宙各处 ， ”鲁伊斯说 ， “在这种意义上 ， LHC和其中进行的实验并不特殊 。 它们更像一个大型音乐厅 ， 提供奏乐的能量并记录每个质子内部的交响乐 。 ”
撰文 | Sarah Charley
翻译 | 郭鑫鹏
【在大型强子对撞机中，根本没有强子对撞？】审校 | 韩晶晶
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