一項歷時二十年的新物理學研究成果發現，原子內奇異物質的產生路徑出乎意料地複雜。
奇異物質是任何包含被稱為奇異夸克的亞原子粒子的物質。“奇異”在這裡部分指的是與我們日常生活的深刻疏遠：奇異物質似乎只在真正極端的環境中出現，例如高能粒子碰撞，以及可能極其緻密和高壓的中子星核心。 探測奇異物質出現的細節是核物理學家更廣泛努力的一部分，旨在理解亞原子粒子如何形成的基本原理。 在這個特殊的案例中，一組研究人員專注於一種奇異物質，稱為Λ粒子。
“這項資料是我們首次在[原子]核中研究Λ粒子，並且我們關注我們稱之為強子化的過程，即產生強子的過程，”研究合著者Kawtar Hafidi說，她是阿貢國家實驗室物理科學與工程副實驗室主任。
支援科學新聞事業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞事業 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和想法的有影響力的故事。
強子是由夸克組成的亞原子粒子，並受到強相互作用力的影響。 強相互作用力將夸克結合在一起，形成更大的粒子，如質子和中子，並將這些質子和中子保持在原子核內。 Λ粒子是重子，這意味著它們是由三個夸克組成的強子型別：一個上夸克、一個下夸克和一個奇異夸克。 新研究的主要作者，密西西比州立大學實驗核物理學副教授Lamiaa El Fassi說，絕大多數夸克是上夸克或下夸克。 奇異夸克比它們的上夸克和下夸克兄弟更重、更稀有，它們形成的粒子也相應地遠不穩定，往往會非常迅速地衰變。
奇異夸克的稀缺和難以捉摸的性質正是它們對研究人員如此有吸引力的原因，俄亥俄州立大學物理學助理教授Daniel Brandenburg說，他沒有參與這項新工作。 “我們對質子和中子的樸素理解是它們包含上夸克和下夸克，”他說。 “因此，奇異夸克之所以有趣，部分原因是，至少在這種樸素的理解中，它們一開始就不存在。 你必須以某種方式創造它們。”
Λ粒子以前已經被研究過，但在新的論文中，研究人員依賴於一種稱為半包容深度非彈性散射的特殊過程，在原子核內部產生它們。 這涉及到向原子核發射電子束，將能量傳遞給內部質子和中子中的夸克，從而刺激Λ粒子的產生。
然而，儘管付出了這些精心的努力，量子力學的神秘定律仍然規定，即使在這裡，電子也不會直接與夸克相互作用。 相反，入射電子釋放出“虛”光子，之所以稱為虛光子，是因為它們幾乎不存在：這些光子幾乎在發射的同時就被夸克重新吸收。 由此產生的高能衝擊可以將夸克像彈珠一樣在原子核中彈射，在那裡它們與其他夸克結合，產生Λ粒子和其他“複合”粒子。
這種亞原子鍊金術發生在托馬斯·傑斐遜國家加速器設施，早在2004年。 當時，El Fassi正在用該資料集進行單獨的研究，但她最終選擇在其中尋找Λ粒子的證據。 想要梳理出Λ粒子衰變的微弱訊號——這些粒子的壽命太短，無法直接探測——需要超過10年的努力。 “這是一段漫長的旅程，”El Fassi說。 她和她的同事在《物理評論快報》雜誌上報告了他們的發現。
透過研究衰變Λ粒子產生的粒子的能量和動量，El Fassi和她的同事可以拼湊出自由夸克在原子核中橫衝直撞時究竟發生了什麼。 與其他亞原子粒子的相互作用不同程度地消耗了夸克的能量，並且當它們與其他夸克結合形成強子時，它們的動量也發生了變化。
最引人注目的是，研究人員發現高能量和低能量Λ粒子的產生之間存在差異，這表明這些粒子有時以一種意想不到的方式形成。 虛擬光子有時似乎與夸克對（稱為雙夸克）相互作用，而不是像理論家長期以來假設的那樣，虛擬光子撞擊一個夸克並使其自由去尋找兩個新的夸克結合。 這種雙夸克可能由原子核中如此豐富的普通上夸克和下夸克組成，然後會尋找第三個夸克，最終與一個奇異夸克結合。 當這種情況發生時，結果就是一個Λ粒子。 Brandenburg說，這些發現不僅揭示了這些奇異而不尋常的粒子是如何形成的。 因為粒子的最終能量和動量包含著它們在原子核中穿行時所遭遇的資訊，它們還可以幫助揭示原子核隱藏的核心中正在發生的事情。
然而，並非所有物理學家都相信這種雙夸克假說反映了Λ粒子的真實形成方式。 伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校核物理學教授Jen-Chieh Peng說，還有其他模型可以解釋研究人員觀察到的能量和動量模式，他沒有參與這項新研究。 例如，他說，研究人員歸因於雙夸克動力學的粒子之間動量傳遞模式，可能實際上是一個單獨夸克拾取兩個夸克的結果。 這意味著最初關於諸如Λ粒子等三粒子如何形成的“逐個夸克”概念是正確的。 “他們的資料很有趣，但解釋，我認為，是很牽強的，”Peng說。
更好的測量很可能在不久的將來解決這場辯論。 El Fassi說，傑斐遜實驗室的電子束今天的功率是2004年的兩倍，並且計劃明年進行新的強子化實驗。 Brandenburg說，目前正在布魯克海文國家實驗室規劃的電子-離子對撞機也將是類似實驗的強大新工具。
“因為我們還在建造它，”他說，“我們可以真正針對我們知道重要的測量進行微調。”