- 質子的重子數可能由隱藏的膠子結構承載。
- 研究者發現質子內部存在大量膠子和夸克的複雜結構。
- 重子結合點模型提供了對重子數過剩的解釋。
- 深入理解重子數對宇宙學和物質穩定性至關重要。
質子看似簡單，由三個夸克組成，並由膠子相互作用維繫。然而，這種表象可能存在誤導。新的測量結果顯示，質子的某些最基本特性可能與這三個夸克無關。測量數據來自布魯克海文國家實驗室的相對論重離子對撞機（RHIC）中的 STAR（螺旋追蹤器）探測器，該設施最近在探測夸克和膠子方面完成了為期 25 年的最後一輪對撞。結果表明，重子數——區分質子、中子等物質與其他粒子的量子性質——可能由一種隱藏的 Y 形結構承載，這種結構由膠子組成。
來自阿貢國家實驗室的研究者 Tommy Tsang 表示：「在簡單的夸克模型中，質子內部只有三個夸克，但如果我們深入觀察，會發現不僅僅有三個夸克，還有大量膠子在其間相互作用，並且還有夸克和反夸克從真空中冒出，因此這實際上是一個非常複雜的物體。」如果這些發現得到確認，將挑戰當前關於自然基本守恆律如何在物質中儲存的標準觀念。
質子內部的複雜結構
每個質子和中子的重子數為+1。數十年來，物理學家通常將這個數字平均分配給每個粒子內的三個價夸克，每個夸克攜帶三分之一的重子數。然而，這裡存在一個問題，質子內部包含的夸克數量遠超過三個。其內部是一片不斷變化的膠子、夸克和反夸克的海洋，這一切都受到量子色動力學的支配，這是強作用的理論。因此，科學家們從未直接確定重子數是屬於夸克還是連結它們的膠子結構。1970 年代理論上提出的一個替代方案是重子結合點——一種將三個夸克連接的膠子場的 Y 形排列。
STAR 合作組織現在發現了支持這一觀點的證據。
重子結合點模型的證據
研究人員並不僅僅是觀察質子內部，而是將 RHIC 作為一種粒子級別的應力測試。STAR 分析了幾種高能對撞，包括等重核對撞和光子核對撞，並比較了重子及其反物質對應物在對撞後的產生位置。團隊還將新結果與早期的 Au+Au 對撞測量進行比較。關鍵線索是重子數的意外過剩。「在 STAR 探測器中，我們持續觀察到，重子數在與碰撞束的方向垂直的方向上出現過剩。」Tsang 補充道。如果三個價夸克是重子數的唯一責任，那麼過剩的重子數應當與這些夸克所攜帶的電荷相符。
電荷為研究人員提供了一種獨立的方法來估算在碰撞中有多少價夸克被停止。然而，STAR 發現的重子產量約為根據測得的電荷推斷的價夸克停止數量的兩倍。
在該研究中，這表現為一個比模型預測的 B/ΔQ 比例更大的數值，而模型假設價夸克攜帶重子數。如果重子數只是隨著三個快速運動的夸克移動，這種不匹配是難以解釋的。重子結合點模型提供了另一種可能性。在 RHIC 能量下，質子內部包含大量膠子。隨著膠子的分裂和增殖，三個價夸克保留了質子的大部分前進動量，而膠子結合點則相對較少。在碰撞過程中，結合點可能比夸克更容易被停止。在這種情況下，停止的結合點可以促進新重子的產生，而原始夸克則繼續沿束流方向運行。
由於重子結合點連接三個顏色荷，因此可以有效地招募三個新的夸克並形成一個新的重子。這或許解釋了為何重子數出現得遠離原始夸克。
研究人員在光子核對撞中測量的淨質子產量中發現了另一個線索。該分佈的非對稱性低於將重子數分配給價夸克的模型預期。STAR 還發現，在考慮到奇夸克產量的抑制後，中快速淨超子產量的束流能量依賴性大致上是無味的，這一特徵與重子結合點運輸一致。這些觀察結果與早期的 Au+Au 測量共同表明，價夸克作為唯一重子數攜帶者的觀點不再可行。這些結果還增加了 RHIC 研究的資料，顯示碰撞如何揭示在極端條件下夸克和膠子的意想不到行為，包括在這些碰撞中產生的夸克-膠子 plasma 的奇特性質。
重子數對宇宙學的影響
這一結果並不意味著科學家們已經完全解開了這一謎團。證據來自於碰撞模式和與理論模型的比較，而非直接觀察質子內的重子結合點。然而，這些啟示的意義遠超 RHIC。重子數的守恆與普通物質的穩定性以及宇宙學中最深奧的難題之一息息相關：為何宇宙中存在遠多於反物質的物質。反物質實驗仍在努力解釋物質是如何在大爆炸中存活下來的，因此對重子數的更深入理解對宇宙學來説是潛在重要的。
重子數可以在個別質子和中子轉變為其他重子時被守恆；保持不變的是總重子數。RHIC 本身將於 2026 年初停止運作，因此未來的測試將必須依賴現有數據和其他能夠探測強作用的設施。電子-離子對撞機將是其中一個重要的繼任者，這一設施旨在探測夸克和膠子如何構建物質的結構。下一個挑戰是確定是否相同的膠子驅動機制在不同的對撞系統和能量中一致地解釋重子運輸。如果可以，那麼質子可能需要重新思考——不再視為三個攜帶共同身份的夸克，而是作為三個由膠子結構連接的夸克，這可能有助於定義該粒子根本上是什麼。
重子數的研究對物質本質的啟示
這項研究揭示了質子內部的複雜性，挑戰了傳統的夸克模型。重子數的理解不僅影響粒子物理學，還與宇宙中物質和反物質的比例有關。隨著RHIC的運作即將結束，未來的研究將依賴現有數據，這可能改變我們對質子本質的認知，並為理解宇宙的基本結構提供新的視角。