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科学家创造出仅由强力维系的新型原子核束缚态

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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)”。

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