北京
宇宙就像向低处流的水，而这并非什么新时代风格的灵性箴言。
粒子和系统会自发地向较低能量状态转变，包括重粒子衰变为较轻的粒子。
质子就处在这座“山坡”的底部。它们是最轻的重子（一种由夸克组成的亚原子粒子），而且从未观测到质子衰变。
如今，研究人员发现证据表明，质子的一个决定性特性可能与我们此前假设的不同。这可能有助于解释一个长期存在的谜团：究竟是什么将宇宙中的物质结合在一起。
质子表观上的稳定性与重子数守恒有关，而重子数守恒有助于区分物质与反物质。
传统上认为，重子数由构成重子（如质子和中子）的三个价夸克携带。
但如今，在经历数十年的不确定之后，一项利用高能粒子碰撞的突破性新研究提供了迄今最强有力的一些实验证据，反对这种简单的价夸克图像。
这项发表在《科学》杂志上的研究支持这样一个观点：重子数实际上由粒子中Y形的“重子结”（baryon junction）携带，而重子结由充当“胶水”将重子维系在一起的无质量胶子构成。
尽管这一观点早在20世纪70年代就被提出，但物理学家一直未能适当检验这两种相互竞争的理论——直到现在，这阐明了一个根本性难题：
“重子结的三个末端与价夸克相连，因此在大多数物理过程中，无法区分究竟是重子结还是价夸克携带重子数。”研究人员写道。
“正因如此，这两种情形都尚未得到实验上的明确验证。”
正如令人困惑的粒子物理学中常见的那样，探索这些难题的最佳方式可能是让粒子以接近光速相互撞击。
因此，一个名为STAR合作组的庞大研究团队分析了相对论重离子对撞机（RHIC）中产生的不同类型碰撞的结果。RHIC是位于纽约布鲁克海文国家实验室、现已退役的粒子加速器兼对撞机。
该团队分析了光核碰撞和同量异位素核碰撞的结果，然后将这些结果与多个模拟高能粒子碰撞的计算模型进行了比较。
同量异位素核碰撞是指让两个质量数相同的原子核相撞，然后测量在不同核素种类之间传输的净重子数与净电荷之间的关系——在本例中，是钌原子核与锆原子核的碰撞。
这应当产生一种特定的特征，因为已知价夸克携带电荷，而重子结携带的电荷为零。
研究人员发现，重子在致密、高能的碰撞区中比电荷行进得更远，这表明重子数由重子结携带，而重子结不会像带电的价夸克那样受到同等程度的减速。
另一方面，光核碰撞探究的是光子（光的粒子）与金原子核在以相对论速度相互接近时的相互作用。
在如此极高的速度下，带正电的金原子核会产生一个电磁场，或者基本上可以说是一个虚的、“准真实”的光子。
“因此，当离子以接近光速运动时，金原子核周围会有一大群光子，像云一样随它一起运动。”肯特州立大学物理学家、STAR合作组成员许长补在先前一篇论文中解释道。
这些临时形成的光子随后与金原子核碰撞，为重子数输运提供了一个“干净”的视角——在所产生的“碎片”中探测到的所有重子必定与金原子核有关。
换句话说，由于入射光子携带的重子数为零，相互作用后测得的任何净重子数最终必定来自金原子核。
与同量异位素实验一样，这似乎与雷吉理论的预言一致；与基于价夸克的模拟相比，雷吉理论更好地纳入了重子结。
“这些结果得到了STAR此前报告的各种束流能量下金-金碰撞数据的支持，不利于价夸克图像。”研究人员写道。
在随附的《科学》杂志“视角”文章中，密西西比州立大学物理学家李文亮强调，尽管新的测量结果表明胶子可能参与重子数输运，但它们并未对底层机制提供直接、严格控制的测量。
随着更多研究开展，这最终可能帮助物理学家理解物质与反物质的不平衡——正是这种不平衡促成了我们今天所见宇宙的存在，而这也是最重大的宇宙谜团之一。
“确定是夸克还是胶子场输运重子数，可能有助于理解亚原子粒子之间的强相互作用如何组织起稳定物质，以及是什么导致了宇宙中物质与反物质的不平衡。”李文亮写道。
未来还会有更多原子撞击实验，包括利用布鲁克海文国家实验室即将投入使用的强大电子离子对撞机。
“有必要对现有理论及其他替代理论开展进一步研究；若要具有可行性，这些理论必须同时解释所有观测到的现象。”研究人员总结道。
“而迄今为止，只有重子结框架在定性上保持一致。”
这项研究发表在《科学》杂志上。
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