我們頭頂的宇宙，廣袤而無垠，神秘而深邃。其中，除了暗物質之外，大部分物質都由電子及原子核構成。每個原子核又至少含有一個質子，質子中包含更為基本的粒子——夸克。它們被膠子傳遞的強相互作用牢牢粘在一起，從而形成十分穩定的質子。
那麼，由夸克和膠子構成的質子究竟長什麼樣，我們又應該如何來觀測它的“樣貌” 呢？
質子結構的藝術想象圖
如何觀測微觀世界
在生物學實驗中，我們可以通過光學顯微鏡來觀測細胞的樣貌，但是，當物體的尺寸相對於光的波長較小時，光的衍射效應會使物體的像變得十分模糊，從而無法再對物體作出清晰地觀測。
為了提高分辨精度，我們可以使用波長更短、能量更高的電磁波（如X射線）來觀測，甚至可以用高能電子代替電磁波，製成所謂的電子顯微鏡，利用它，我們可以觀測分子尺度的蛋白質與DNA。
當我們試圖觀測尺寸極小的原子的結構時，我們可以使用能量更高的粒子來轟擊原子，通過觀測散射粒子的分佈對原子結構從理論上進行推測。
利用這種方法，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）等人在1909年通過α粒子轟擊金箔從而推斷出原子的基本結構，並通過計算，得到原子核的尺寸應該小於10-14米，這遠小於金原子的尺寸10-10米。
然而，後來人們由氫原子蘭姆位移實驗發現，作為原子核組成成分的質子尺寸更小，只有不到10-15米。如果把我們的拳頭放大到地球大小，原子也不過是與玻璃彈珠相仿，觀測尺寸比原子還小5個數量級的質子的內部結構，難度可想而知。
從物質世界到夸克
翻譯（自上而下）：物質 原子核 夸克 質子
探秘質子結構
當今，人們探測質子結構的主要方法是深度非彈性散射實驗（Deep Inelastic Scattering，DIS）。
例如，位於德國的強子-電子環形加速器（Hadron-Electron Ring Accelerator， HERA）便是利用高能電子輻射出的虛光子轟擊質子並與其中的夸克相互作用，最後散射出粒子的分佈依賴於質子中膠子和夸克的空間分佈等性質，科學家從而可以根據散射粒子的分佈，推測質子的內部結構。
深度非彈性散射示意
翻譯：Electron 電子 q 夸克 P 質子
科學家們發現，當用來轟擊質子的電子能量不同時，質子展現出的結構並不相同。
在低能下，質子內部主要顯示出三個價夸克，包含兩個上夸克以及一個下夸克。
在高能或者說更短的時間尺度下，夸克可以釋放出膠子，然後膠子又很快地被其他夸克吸收。在被吸收之前，膠子也可以分裂出膠子或一對正反夸克，然後它們會迅速再融合為一個膠子，繼而被吸收，如此等等。
質子中的這些膠子不斷地迅速產生、湮滅，如同在夏日夜空中不斷飛舞閃爍的螢火蟲。利用散射實驗對質子的結構進行觀測，就如同用相機對飛舞的螢火蟲拍照一般，每次觀測都會得到不同的質子結構，也就是說質子的結構是不斷漲落的（fluctuating），探索這種膠子的漲落行為成為研究質子結構的重要課題之一。
然而，很多散射實驗過程對膠子的漲落並不敏感，而只依賴於膠子在較長時間尺度的平均行為。但是，有一類特殊的衍射類深度非彈性散射過程（Diffractive DIS）則直接依賴於膠子的漲落，從而可以作為研究質子內部膠子漲落的重要過程。
來自美國布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的 Heikki Mäntysaari 與 Björn Schenke 發表於《物理評論快報》的工作，通過分析該類散射實驗中的非相干衍射過程（Incoherent Diffraction）研究了質子內部膠子的漲落。
非相干衍射過程
我們知道，參與強相互作用的夸克以及膠子攜帶著類似於電荷的另一種荷——色荷。
在深度非彈性散射過程中，如果產生的粒子或者粒子系統與被轟擊的靶粒子之間整體上交換色荷，那麼它們將帶上相反的色荷。類似於兩個帶相反電荷的粒子之間會產生電磁場，產生的粒子系統與靶粒子之間也會有膠子場產生。
但由於膠子本身也攜帶色荷，所以，膠子場並不會像異性電荷之間的電磁場那樣瀰漫到整個空間，而是由於膠子間的相互吸引而保持管狀，即所謂的
色流管（color flux tube）或色弦（color string）。當色流管被拉到足夠長，從而儲存足夠多的能量時，就可以不斷地產生夸克-反夸克對或者雙夸克-反雙夸克對，最後整個色流管會斷裂成許多具有不同速度（快度）的新粒子。
色流管示意圖
在前面提到的衍射類散射過程中，產生的粒子或者粒子系統與靶粒子之間不交換色荷，那麼二者之間便不會產生色流管。最後產生的粒子中，不會有色流管斷裂生成的具有不同速度的新粒子，從而在最後的粒子速度分佈譜中會有一段空隙，實驗學家可以通過這個特點，從深度非彈性散射實驗中篩選出衍射類散射過程。
在衍射類散射過程中，根據靶粒子是否可以保持完整進一步分為相干衍射和非相干衍射。以靶粒子為質子的散射過程為例，相干衍射過程中的質子在散射前後保持完整，整個過程依賴於質子內部結構的平均行為。
反之，非相干衍射過程中的質子會被擊碎，而這種過程也強烈依賴於質子內部結構的漲落行為，從而可以用來研究質子內部膠子分佈的漲落性質。
從質子結構到宇宙開端
Heikki 與 Schenke 在前人的理論基礎上發現，為了正確地解釋衍射類散射過程的實驗數據，
質子內部結構的漲落至關重要：三個夸克在質子中的位置可以不斷變化，並且它們不斷地發射出漲落的膠子，這些膠子如同雲一樣，形成膠子云圍繞在三個夸克周圍，而膠子云的疏密分佈也會變化。也正因為這些漲落行為，質子可以具有非常不同的形態。
質子結構的“快照”
我們知道，現在科學家們普遍認為，宇宙起源於一次大爆炸。
歐洲的大型強子對撞機（Large Hadron Collider, LHC）與美國的相對論重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC）將重離子加速到接近光速然後進行對撞。
研究人員認為，在對撞後的極短時間內可以產生與宇宙大爆炸後約10微秒時的狀態非常類似的物質，能夠用來研究宇宙最初階段的性質。對這種過程的研究從根本上也需要知道質子內部結構的漲落行為。
如今，美國正在規劃新的高精度粒子加速器——電子-離子對撞機（Electron-Ion Collider, EIC），計劃在10年後開展電子與質子或重核的對撞實驗，並將對非相干衍射過程進行觀測，從而直接地對膠子漲落進行研究。這將有助於我們更好地理解重離子對撞過程以及早期宇宙的性質。
RHIC上的PHENIX檢測器
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