Quanta Magazine : 核内的神秘力量变得不那么奇怪了

每分钟数十亿次，大型强子对撞机 (LHC) 将质子粉碎在一起，释放出一股能量漩涡，结晶成更多的质子、中子和核粒子的不太熟悉的表亲。一些粒子在逃离现场时彼此相遇。接下来会发生什么——给定的一对是拉在一起还是分开——物理学家通常不能说。

50 多年前，理论家们研究出了质子和中子内部的粒子是如何起作用的。但是这些被称为夸克的粒子永远不会单独出现，而且来之不易的关于它们的力的理论——强力——无法预测夸克群的行为，夸克群是实际构成我们身体并出现在粒子对撞机中的物体。

“如果你愿意的话，这就是核物理学的前沿，”慕尼黑工业大学的物理学家Laura Fabbietti说，“从第一原理了解 [这些] 相互作用。”

经过几十年的努力，监视“强子”——由多个夸克组成的粒子——的强大方法终于成熟了。超级计算机现在可以计算某些数字强子之间的力。大型强子对撞机的研究人员正在开创一种称为飞秒镜检查的新方法，该方法可以直接检测由强力引起的短暂强子之间的震颤。这项研究揭示了自然界最神秘力量的新方面。

“突然之间，我们可以第一次测试任何一对强子之间的强相互作用”，Femtoscope 的开发者之一 Fabbietti 说。

神秘的核心

自 1930 年代以来，原子核心一直在挑战物理学家，当时包括恩里科·费米（Enrico Fermi）和维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）在内的该领域的领导者都在努力协调几个奇怪的观察结果。一个是原子核甚至存在的事实。以氦原子核为例，两个质子相互依偎在一起，相距仅几飞米（十亿分之一米）。在那个距离，两个正电荷应该用20 磅的力量将原子核炸开。然而，稳定的氦原子比比皆是。电磁控制原子，但原子核似乎按照不同的规则发挥作用。

1935 年，相对不为人知的日本物理学家汤川英树发现了核谜题的主要部分。

如果是某种强大的力量将核心凝聚在一起，那是一种奇怪的力量。无质量的光子携带着广泛的电磁力，但质子和中子需要紧密接触才能粘住。 Yukawa 的主要观点是，这种短程是由于新力量的粒子质量限制了它的移动性。他计算出它的重量应该是电子的 200 倍。物理学家于 1947 年在宇宙射线中发现了 π 介子或“π介子”，其质量仅比 Yukawa 预测的大三分之一。两年后，他的诺贝尔奖来了。

他“是第一个预测某种新粒子存在的人，”日本 RIKEN 研究所的核物理学家和项目主任Tetsuo Hatsuda说。 “那是粒子物理学的诞生。”

介子证明了大量新粒子中的第一个。这个不断增长的动物群中的模式使理论家得出结论，夸克有六种变体，并且结合得如此紧密，以至于它们总是以群体的形式存在。今天，物理学家知道超过 300 种独特的强子。

理论家们在 1970 年代研究了强力如何控制夸克——一种被称为量子色动力学或 QCD 的理论。但令人沮丧的是，它并没有提供所有的答案。

QCD 将夸克描述为交换一连串的载力“胶子”，其强度随着距离的增加而增加，就像松紧带中的张力一样。当粒子碰撞在一起时，就像在粒子对撞机中那样，夸克会靠得很近，以至于弹性体变得松弛。在这些情况下，QCD 工作得很好。但在一般情况下，弹性伸张啮合， QCD的数学就崩溃了。这种限制使强子在现实世界中的行为成为一个谜。

东京都立大学物理学家Tetsuo Hyodo说：“这是基本粒子物理学标准模型中唯一 [无法计算的] 部分。”

强子高潮

即使没有可解的理论，两种技术也越来越多地帮助物理学家破解粒子的神秘行为。

首先是将问题外包给超级计算机。研究人员按照如下方式建立了一个数字实验室：他们将空间划分为一个网格，将时间划分为一系列离散的时刻。它们在网格线相交的地方粘着夸克，在它们之间的链接上粘着胶子。然后，他们以平滑的空间和时间不可能的方式逐帧计算发生的事情。

2007 年，Hatsuda 的研究小组使用这种“晶格 QCD”方法将质子或中子对模拟为更真实的夸克和胶子云，而不是 Yukawa 式的点。他们证实，当质子或中子相距约一个质子宽度时，它们确实会像交换介子一样吸引。 “从某种意义上说，汤川是在 QCD 的基础上得到确认的，”初田说。该小组还超越了汤川的理论，证明了当粒子更接近时，吸引力会变成排斥力。

最近，该团队一直在推动质子或中子（包含较轻的“上”和“下”夸克）与由三个较重的“奇怪”夸克组成的“欧米茄”强子之间的虚拟相遇。他们在 2019 年发现，这对强子在远近之间相互拉扯。并且在 2020 年，合作计算出一对“lambdas”（一个上夸克、一个下夸克和一个更重的夸克）吸引力较弱。这些结果代表了一些关于更重的强子如何相互影响的初步暗示，这些强子往往会在一瞬间衰变。

与此同时，大型强子对撞机研究人员已经开始利用 ALICE 实验来追踪真正的强子。质子碰撞会产生强子爆发，其中许多会衰变为其他粒子。 ALICE 研究人员通过这些残骸寻找所需强子配对的迹象。他们将沿相似路径一起移动的强子对与沿不同方向移动的强子对进行比较。目标是发现附近强子如何相互吸引或排斥的迹象。该技术可以检测到小至单个飞米的强子抽搐。

“美妙之处在于，您可以将这种技术应用于非常稀有且不稳定的强子，”在 ALICE 合作中领导 femtoscopy 小组的 Fabbietti 说。 “通常没有其他机会让两个粒子互相交谈，看看他们说什么。”

该合作在 2020 年的Nature 杂志上详细介绍了他们的飞秒镜检查方法。去年 10 月，他们公布了对一种很大程度上未知的相互作用的测量，即质子和 phi 介子（由一个奇怪的夸克和它的反夸克组成）之间的相互作用。实验者通常依靠晶格 QCD 的理论数据来解释他们的数据，但是关于 phi 介子的工作很少，他们不得不回到 Yukawa 1935 年的理论。

“proton-phi 什么都没有，”领导数据分析的研究生 Emma Chizzali 说。

接近彼此的质子和 phi 介子似乎很有吸引力，ALICE 的合作从大约 100,000 对配对中得出结论。然而，这种吸引力只有质子和中子之间的吸引力的十分之一。

初田说，这个实验“非常令人兴奋”。他的团队目前正在使用 lattice QCD 检查结果。

从大型强子对撞机到中子星

虽然含有奇怪夸克的强子在 LHC 中迅速衰变，但它们可能作为中子星的长期居民存在，巨大的压力可以稳定被称为“超子”的奇怪质子变体。这些超子将交换 phi 介子而不是介子，一些理论家提出这可能会使死星变硬。但 ALICE 的结果表明，奇怪的相互作用太微弱了，无足轻重。

“如果中子星内部存在超子，”法比蒂说，“它们的相互作用可以完全忽略。”

Hyodo 希望全面了解哪些二夸克和三夸克粒子粘在一起可以解释另一个谜团——为什么四夸克或五夸克的组合如此罕见。物理学家已经编目了数百个夸克二重奏和三重奏，但只有少数四夸克和五夸克。

为此，ALICE 一直在筛选 2016 年至 2018 年间发生的大约 10 亿次碰撞。然而，从今年春天开始，对 LHC 的升级将使他们获取数据的速度提高 100 倍。在接下来的十年里，法比蒂预计将测量包含更重夸克的稀有强子的混合。

“我们正在构建这个谜题，”她说，“试图测量所有这些谜题。”