科学家创造出仅由强力维系的新型原子核束缚态

普通原子需要“强力”（strong force ，又称“强交互作用”/strong interaction，或“强核力”/strong nuclear force）与电磁力共同作用才能维持结构稳定，但物理学家长久以来一直思索：能否让一个不带电的粒子与原子核结合，创造出一个完全不依赖电磁力、仅凭强力单独维系的束缚系统？

由于ή介子（eta prime meson）不带电荷，因此它无法透过电磁力进行束缚，只能依赖强交互作用——这使它成为验证上述问题的理想候选粒子。

研究人员以质子束轰击碳-12，成功让产生的一个ή介子短暂与碳-11原子核相结合，形成了首个被观测到的、仅由强力维系的系统，这同时也为物质质量的来源提供了重要线索。

理想的验证对象

数十年来，所有已知的原子与核系统都依赖至少两种基本作用力协同作用：强力将质子与中子束缚于原子核内，电磁力则使电子绕着原子核运动。如今，一支国际物理学家团队首次找到实验证据，证明核系统可以仅由强力单独束缚——这不仅印证了二十年前的理论预测，也为探索物质如何获得质量这一难题开启了一扇新的窗口。

要构建一个仅由单一作用力束缚的系统，需要一种具有特殊性质的粒子：不带电荷。普通原子无法胜任，因为其组成成分——质子与电子——均带电荷，电磁力始终参与其中。

描述四种基本作用力中的三种（强力、弱力与电磁力；不含引力）的粒子物理标准模型预测，不带电的介子应能仅透过强交互作用与原子核结合。

ή介子正是理想的验证对象：它不带电荷，因此无法透过电磁力束缚；同时它异异常巨大的质量，更使它成为探测强力内部机制的独特工具。

长期谜题——ή介子为何如此重

ή介子的巨大质量本身就是一个谜团。

自从物理学家史蒂文‧温伯格（Steven Weinberg）在1970年代提出以来，这个问题被称为“U(1)问题”。其核心在于：简单的夸克模型无法解释ή介子为何如此之重。

现代量子色动力学（QCD）——描述强力的理论框架——认为，ή介子额外的质量来自于一种称为“手征对称性破缺”（chiral symmetry breaking）的现象，以及胶子（gluons）所产生的量子动力学效应。胶子是负责在夸克之间传递强力的粒子。

简言之，“手征性”（chirality）指的是粒子的左右手性：正如你的右手在镜中看起来像左手，两者无法完全重合一样，某些粒子也存在右手性与左手性两种形式。当核物质中的这种对称性被打破时，便会产生ή介子的大部分质量。

预测ή介子质量的这些理论同时指出，当ή介子嵌入原子核内部后，其质量会有所降低。

若能测量到这种质量降低，将成为强有力的证据，证明“手征对称性破缺”确实是ή介子质量的来源。进一步来说，也能说明它是所有强子（包括构成可见物质的质子与中子）质量的重要来源。

实验证明：强力本身就足以形成稳定（虽然极短暂）的核束缚态

如今，一支由日本埼玉县“理化学研究所”（RIKEN）的物理学家关谷辽平（Ryohei Sekiya）、板桥健太（Kenta Itahashi）与田中良树（Yoshiki Tanaka）共同领导的国际团队，成功完成了这项实验。

他们以接近光速一定比例速度的质子束，轰击碳同位素碳-12（C-12）的原子核，质子束的轰击使原子核中的一个中子被击出。

当该中子与一个质子结合后，形成一个稳定的氘核（deuteron）并高速飞离。同时，剩下的原子核已经转变成碳-11（C-11），且内部残留了极其庞大的能量。

这些过剩能量可以产生一个ή介子，而在极少数情况下，该介子会与碳-11原子核结合，形成一种短暂存在、完全由强力维系的量子态。

ή介子的存在时间极为短暂，约为极短的十万亿亿分之一秒（约10⁻²¹秒量级），之后便会衰变。

为了捕捉如此转瞬即逝的事件，研究团队使用了一种特别设计的名为WASA的探测器。该装置能够辨识当ή介子被原子核吸收时所产生的高能质子。

即便如此，背景杂讯事件仍比真正的讯号多出100至1000倍，使得测量工作异常困难。

尽管面临重重挑战，研究团队仍在数据中发现了与“ή介子-核”（ή-mesic nuclei）——这种“新型态的原子核束缚态”——理论预测相符的峰值结构。

他们的研究成果于4月7日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，结果显示，ή介子在核物质内部的质量降低了约60MeV/c2。

这项研究的重要意义

这一结果从定性上支持了以下观点：

• ή介子的质量来自手征对称性破缺； • 胶子的量子动力学效应也扮演关键角色。

研究人员写道：“在手征对称性恢复的环境中研究质量分布，可以提供有关质量产生机制，以及宇宙演化过程中真空非平凡结构的重要资讯。”

他们还表示：“这些结果显示，这是首次直接侦测到ή介子-核束缚态，为研究高密度核介质中的介子性质提供了重要资讯。”

研究团队补充，未来进一步的“目标是测量ή介子的基本产生截面（production cross section）”。