在整个宇宙中,几乎所有可见物质都由质子和中子构成,而这两种粒子之所以能够长期稳定存在、不会轻易衰变消失,与一个被称为"重子数守恒"的物理原理密切相关。
这一守恒定律不仅决定了质子看似永恒的稳定性,更在根本层面上帮助区分了物质与反物质——而正是这种物质与反物质之间微妙的不对称性,才使得我们所处的这个由实体物质构成的宇宙得以存在,而非在大爆炸后瞬间与反物质相互湮灭、化为一片虚无。
然而,长达半个世纪以来,物理学界始终未能就一个看似基础的问题达成共识:重子数究竟是由什么携带的?按照最直观的传统图景,质子和中子由三个"价夸克"组成,重子数自然而然地被认为是由这三个价夸克本身所携带。
但早在20世纪70年代,便有理论物理学家提出了一种截然不同的设想——重子数或许并非附着在夸克本身之上,而是由连接这三个夸克的一种呈"Y"字形的结构所携带,这种结构由无质量的胶子构成,如同一根无形的绳索将三个夸克紧紧束缚在一起,物理学家称之为"重子连接"(baryon junction)。
质子的示意图，图中显示了三个价夸克以及将它们结合在一起的胶子。（阿贡国家实验室）
这两种理论之所以争论了近五十年而未能分出胜负,并非因为科学家缺乏检验的意愿,而是源于一个极为棘手的实验困境:由于重子连接这一Y形结构的三个末端本身也都与价夸克相连,在绝大多数常规物理过程中,这两种理论所预测的观测结果几乎完全无法区分。换言之,无论重子数究竟是由夸克携带还是由连接点携带,实验测得的现象往往是一样的,这使得任何试图一举分辨真相的尝试都举步维艰。
用近光速对撞破解五十年悬案
要打破这一僵局,物理学家需要设计出一种能够将夸克与胶子的贡献彻底剥离开来的实验方案。位于美国纽约布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)及其STAR国际合作组,最终找到了突破的关键路径。研究团队巧妙地设计并分析了两类截然不同的高能粒子碰撞实验,发表于《科学》杂志。
元股证券:ygzq.hk第一类实验被称为"同位素核碰撞",即让质量数相同但质子数不同的原子核——具体而言是钌原子核与锆原子核——彼此对撞,并测量净电荷与净重子数在碰撞后碎片中的分布传输情况。
由于价夸克本身携带电荷,而重子连接结构本身不带电荷,这一性质差异理应在碰撞产物中留下截然不同的可观测痕迹。
实验结果显示,重子在高密度、高能量的碰撞核心区域内传播的距离,明显超过了电荷传播的距离——这意味着携带重子数的载体,受到的减速阻碍效应比带电荷的价夸克要小得多,从而更倾向于支持"重子连接携带重子数"这一理论假设。
第二类实验则利用了"光核碰撞"这一更为精巧的手段。当金原子核以接近光速运动时,其周围会因电磁效应而伴生出大量"准实光子"云团,这些临时光子随后与另一侧的金原子核发生碰撞。
由于入射光子本身不携带任何重子数,碰撞后产生的碎片中若检测到净重子数,理论上必然全部源自金原子核一方,这就为追踪重子数的传输路径提供了一个异常清晰、几乎不受其他因素干扰的观测窗口。这一实验结果同样与更完整纳入重子连接效应的"雷吉理论"预测高度吻合,而与传统的纯价夸克模拟结果相悖。
尚未画上句号的探索
图示展示了关于粒子重子数分布的两种相互竞争的观点。（STAR合作组，《科学》，2026）
研究团队在论文中明确写道,包括STAR此前在不同束流能量下针对金核对金核碰撞所积累的各项数据,均未能支持传统的纯价夸克理论图景,而唯有引入重子连接框架的理论模型,才能在性质上始终保持内在一致性。
不过,面对这一突破性发现,学界的态度依然保持着必要的审慎。密西西比州立大学物理学家李文亮在随附发表于《科学》杂志的评论文章中指出,尽管新测量结果确实表明胶子可能在重子数的输运过程中发挥着重要作用,但这些实验证据本身尚未构成对其背后微观机制的直接、严格可控的精确测量。换言之,科学家目前掌握的是强有力的间接支持性证据,而非无可争议的最终定论。
不同相互作用的潜在实验结果取决于重子是在其价夸克中还是在其重子连接处携带其重子数。(STAR合作组，《科学》，2026)
这一发现的意义,远不止于厘清质子内部结构这一相对"细分"的理论问题。李文亮强调,准确判断究竟是夸克还是胶子场真正承载着重子数,将有助于人类深入理解亚原子粒子之间的强相互作用力究竟如何组织并维系起稳定物质的存在形态,进而为破解"宇宙中物质与反物质为何存在不对称"这一悬而未决的终极谜题,提供至关重要的理论线索。
展望未来杠杆风险,布鲁克海文国家实验室即将建成投用的新一代设施——电子-离子对撞机,预计将为这一课题带来更为精确、更具决定性的实验数据。正如研究团队在论文结尾所总结的那样,现有理论及各种替代性理论仍需接受进一步的检验与打磨,而检验的最终标准只有一条:必须能够同时、自洽地解释所有已被观测到的实验现象。就目前而言,唯有重子连接这一诞生于半个世纪前的理论框架,经受住了这场跨越数十年的考验。
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