物理学家发现质子内部隐藏的胶子结构

相对论重离子对撞机 (RHIC) STAR 探测器的新发现正在挑战人们所熟悉的质子定义量子特性之一的图景。结果表明，胶子（将夸克粘合在一起的胶水粒子）可能在携带和保存重子数方面发挥关键作用。证据来自于 RHIC 的高能粒子碰撞。RHIC 是美国能源部 (DOE) 科学办公室核物理研究用户设施，于 2000 年至 2026 年初在美国能源部布鲁克海文国家实验室运行。根据发表在《科学》杂志上的这项新研究，重子数可能与连接质子三个主要夸克的 Y 形胶子“结点”有关。如果得到证实，这将挑战长期以来的假设，即重子数只属于这些夸克。 “传统上，科学家们假设质子或中子内的三个主要‘价’夸克中的每一个都携带三分之一的重子数，”布鲁克海文实验室联合任命的肯特州立大学教授徐章步说。关于胶子的一个几十年前的想法 物理学家在 20 世纪 70 年代首次提出了重子结，也称为胶子结，作为描述胶子如何连接质子内部价夸克的一种方式。 1996 年，即 RHIC 开始运行的四年前，石溪大学和布鲁克海文实验室的理论物理学家 Dmitri Kharzeev 提出，这个连接可能会做一些更根本的事情。负有重子数的不是价夸克，而是结本身。 STAR 合作现已开发出一种方法，利用 RHIC 产生的几种类型的碰撞来测试这种可能性。 “使用从 RHIC 不同类型的粒子碰撞收集的数据，我们的结果表明重子数不仅仅由单个夸克携带，”徐补充道。 “我们的研究结果强烈支持这样的观点，即当以这种特殊的结构排列时，胶子（将夸克结合在一起的粒子）更容易携带和传输重子数。”为什么重子数很重要确定什么实际上携带重子数的问题远远超出了质子的内部结构。在RHIC碰撞中，重子数守恒意味着重子、质子、中子等三夸克粒子的总数在碰撞前后必须保持不变。同样的守恒定律也适用于宇宙尺度。莱斯大学的 STAR 物理学家妮可·刘易斯 (Nicole Lewis) 于 2020 年在布鲁克海文实验室作为博士后启动了这个项目，她说：“自大爆炸以来，质子和中子的数量总和从未随时间变化。”“这种守恒的原因尚不清楚。这是宇宙的奥秘之一，与为什么我们拥有的物质多于反物质有关，”她说。重子数守恒也有一个更明显的结果。它有助于解释质子的非凡稳定性，质子构成原子核的核心部分，在正常情况下似乎不会衰变。 “人们相信质子的寿命比宇宙的寿命还要长，”刘易斯说。 “这使得原子核能够形成并保持稳定——这意味着当我们在宇宙中与物质相互作用时，物质可以存在。”更复杂的质子 胶子携带重子数的可能性将推翻许多教科书中的标准简化描述。在这张图中，质子的重子数为+1，平均分配给它的三个主要价夸克。因此，每个夸克携带着三分之一的重子数，就像质子的电荷分布在它的三个价夸克之间一样。但真正的质子比简化模型显示的要复杂得多。 “在朴素夸克模型中，质子内部只有三个夸克，除此之外没有其他夸克，”前肯特州立大学博士后、现供职于美国能源部阿贡国家实验室的汤米·曾 (Tommy Tsang) 说。 “但如果我们看看里面的细节，不仅有三个夸克，还有很多胶子相互作用，在这些夸克之间连接，还有从真空中弹出的夸克和反夸克，所以它实际上是一个非常复杂的物体。”量子色动力学（QCD）是用于描述这些相互作用的理论，在解释夸克和胶子之间作用的强力方面非常成功。即便如此，受 QCD 启发的模型通常需要额外的假设来重现 RHIC 以接近光速粉碎原子核时观察到的一些粒子模式。意外过量的重子 一项观察结果特别引起了 STAR 团队的注意。探测器反复记录到的重子数量多于碰撞中从侧面出现的反重子数量，垂直于入射光束的方向。 “在 STAR 探测器中，我们始终看到过量的重子从垂直于