強力是一個謎。透過膠子，它將夸克（物質的兩種基本組成部分之一）結合成每個原子中心的質子和中子。顧名思義，它是四種已知的基本力中最強的，但它只在亞原子距離範圍內發揮作用。儘管強力強大且重要，但它是最難觀察到其作用的力，並且其行為幾乎不可能進行數學預測。
現在，長島布魯克海文國家實驗室的一組科學家捕捉到了強力作用的新鮮、出乎意料的一瞥——如此出乎意料，以至於理論家們發明了新的模型來解釋它。如果理論家們是正確的，那麼這項實驗是對強力場如何在短距離內波動的首次測量。這項研究結果於1月18日發表在《自然》雜誌上。
“我們認為，強力場的這種區域性波動以前從未被測量過，”唐愛宏說，他是布魯克海文物理學家之一，參與了這項新研究。它將使科學家能夠“從不同的角度研究強力”。
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為了觀察強力，世界各國已向粒子加速器投入了數十億美元，這些加速器在劇烈的碰撞中將原子分解。在這裡，夸克和膠子在等離子體的漩渦湯中被釋放極短的時間，然後在火球冷卻時重新組合成新的、罕見的粒子。
這些奇異的粒子之一，稱為φ介子，是這些最新令人困惑的結果的核心。與由三個夸克組成的質子和中子不同，介子由一個夸克和一個反夸克組成。夸克有六種不同的“味”，而φ介子由一對具有相同味的夸克-反夸克對組成，稱為奇異夸克。
科學家們想知道，在碰撞後的瞬間，夸克-膠子湯的漩渦動量是否會導致φ介子像漩渦中的沙灘球一樣隨之旋轉。這種效應，稱為自旋極化，並非必然發生，但在其他奇異粒子中已經觀察到。研究人員希望，測量粒子是否以及如何在翻滾的夸克和膠子中耦合，將為了解強力如何組裝我們周圍可見的物質提供無與倫比的一瞥。
這項任務絕非易事，需要自動化軟體（和目光敏銳的科學家）從每次碰撞產生的數千個新粒子中精確定位φ介子。“這就像兩輛垃圾車相撞，然後所有的垃圾都飛出來，而你想觀察一個蘋果和一根香蕉朝兩個不同的方向飛去，”新罕布什爾大學的核物理學家卡爾·斯萊弗說，他沒有參與這項新實驗。“僅僅是為了篩選，資訊量就太大了。”
在找到他們難以捉摸的目標後，科學家們看到了完全出乎意料的事情。φ介子確實在隨著夸克-膠子湯旋轉，但方式與理論預測相去甚遠。
以下是這些預測的工作原理：φ介子可以沿三個方向之一旋轉。如果它們的自旋不受該漩渦粒子池的影響，那麼每個自旋方向都應同樣常見——每個方向出現大約三分之一的時間。即使是與三分之一機率的微小偏差也表明φ介子的自旋受到了周圍旋轉動量的影響。
研究人員看到的卻是與三分之一機率的巨大偏差，比傳統模型可以解釋的大1000倍。通常的變數，例如來自電磁場的自旋改變干擾，根本無法解釋如此大的差異。該團隊在2017年宣佈了他們的初步結果，這讓理論家們感到困惑。
“我們真的在撓頭，說，‘到底是怎麼回事？’”加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的理論物理學家王新年說，他沒有參與最初的布魯克海文實驗，但幫助同行評審了報告結果的論文。“我當時不相信他們：‘不，這令人難以置信；這太大了，’”他回憶道。
但是同樣持懷疑態度的布魯克海文團隊一次又一次地重新執行分析，每次都得到相同的看似不可能的結果。“然後我們意識到這可能是我們理論家不理解的東西，”王說。
理論家們錯過了一些重要的東西：電磁場可能不足以影響φ介子的自旋，但是強力產生的場呢？場是由運動中的帶電粒子產生的。正如電磁場來自運動的電子一樣，強場來自運動的夸克和膠子。先前的模型基本上忽略了強場的可能性，因為它們的影響通常是無關緊要的。即使在典型的亞原子距離範圍內，夸克和膠子的隨機運動也會產生這種場，但會相互抵消，從而對整個系統沒有影響。
但是在超微小的尺度上——想想小於質子無限小的跨度的距離——所有這些隨機運動的累積細節實際上可能很重要。這就是王和他的同事們在最近的預印本研究中提出的：φ介子本身的運動會產生一個強力場，其微小的波動正在影響介子的自旋極化。
“目前沒有其他理論可以解釋這些測量結果，”貝丹加達斯·莫漢蒂說，他是布魯克海文實驗的研究人員之一，也是印度國家科學教育與研究所的物理學家。
如果這個想法是正確的，那麼布魯克海文實驗代表了物理學家首次觀察到強力場中的這種波動。“這是全新的。我認為其後果可能是深遠的，”王說。
首先，“它告訴你更多、更多的資訊”，關於夸克-膠子火球中強相互作用正在發生的事情，中國科學技術大學的理論物理學家王群說，他是王新年最近的預印本論文的合著者之一。在大多數方面，理解這些相互作用是當今粒子加速器實驗最緊迫的目標。
為了檢驗新的假設，布魯克海文科學家計劃用另一種介子（稱為J/ψ介子）重新進行實驗，J/ψ介子由一對不同味的夸克-反夸克對組成。如果φ介子可以新增到強力場中，那麼它們的“表親”也應該如此——J/ψ介子的自旋極化應該受到由此產生的波動的類似影響。
儘管處理的是亞原子物理學，但這樣的工作絕非易事。在萬億攝氏度的等離子體漩渦中追蹤短暫粒子的最微小運動，就像僅從灰燼中重建最短暫、最明亮的蠟燭一樣。“你必須體會到這種挑戰，”莫漢蒂說。任何人都會嘗試去做這件事，這證明了它可能帶來的基本真理：更好地瞭解將我們所有人結合在一起的力量。