重子数究竟藏在夸克还是胶子里？

物理学中有一些基本的守恒定律，支配着现实世界的演化。其中，重子数（B）被认为自宇宙诞生后不久发生重子生成以来，一直保持守恒。所谓的重子是由三个夸克组成的一类粒子，如质子和中子。夸克之间之所以能够牢牢地束缚在一起，是因为强相互作用在发挥作用，而这种相互作用是由另一类基本粒子——胶子——传递的。

传统图景认为，每个夸克的重子数为B=1/3。因此，三个夸克结合形成一个重子，如质子，其重子数为B=1；而一个夸克和一个反夸克（B=-1/3）结合形成的介子，其重子数为B=0。但也有另一种假说认为，重子数可能由一种被称为“重子结”（baryon junction）的特殊胶子结构携带。这两种图景迄今都尚未得到实验验证。

在一项新发表于《科学》的研究中，一个研究团队利用相对论重离子对撞机（RHIC）上的STAR探测器获得的数据发现，实验结果不支持重子数简单地由夸克携带的传统图景，而更支持重子结在重子数输运中发挥关键作用。

Y形重子结

早在20世纪70年代，理论物理学家就预言了重子结。他们意识到，为了保持强相互作用的一种基本对称性，胶子不能只是把质子中的三个夸克两两连接成一个三角形，而必须形成一个Y形的场结构，并在中央一点汇合；这个中央汇合处就称为重子结。

1996年，物理学家Dmitri Kharzeev提出，真正携带重子数的可能并非夸克，而是重子结。他表示，可以在高能原子核碰撞中通过让重子结与它所连接的夸克短暂分离来探测它——哪怕这种分离只持续约一千万亿分之一纳秒。

在新研究中，STAR合作组为检验这一想法设计了一套创新方法。

重子过剩

在简单的夸克模型中，一个质子内部只有三个夸克，除此之外什么都没有。但如果仔细观察质子的内部，就会发现其中不仅有三个夸克，还有大量胶子相互作用、连接这些夸克，同时还有不断从真空中涌现出来的夸克和反夸克。因此，质子实际上是一个非常复杂的对象。

在常见的质子内部结构示意图中，只包含了三个价夸克，但质子内部实际上非常复杂。（图/原理）

为描述这种复杂结构而发展起来的理论被称为量子色动力学（QCD）。它在描述由强相互作用介导的夸克和胶子之间的相互作用方面取得了巨大成功。然而，为了解释RHIC中那些被加速到接近光速的原子核发生碰撞后所产生的大量粒子，基于QCD构建的模型往往还需要引入一些额外假设。

在STAR探测器中，研究人员持续观察到，在垂直于碰撞束流方向上飞出的重子数存在明显的过剩。最终出现的重子比反重子多——也就是物质比反物质多——这一点本身并不令人意外，因为这些碰撞一开始所使用的就是物质。这些高能碰撞释放出巨大的能量，而这些能量会转化为成千上万个新粒子的产生。

然而，在远离束流方向飞出的粒子中观察到重子过剩，也就是净重子数，使STAR团队开始质疑“只有夸克负责携带重子数”这一假设。如果要按照这种图景产生实验中观察到的重子过剩，那么一个发生碰撞的质子中的三个夸克就必须全部被“阻停”下来，并在探测器中央经历从物质转化为能量、再由能量转化回物质的过程，随后新产生的大量重子再向远离束流的方向喷射出去。

用电荷追踪夸克

在实验中，STAR合作组的研究人员利用夸克携带电荷这一事实来检验究竟发生了什么。他们将RHIC不同类型核碰撞中观测到的净重子数，与同一碰撞过程中电荷的重新分布进行了比较。

他们通过测量发现，实际观测到的重子数量，是根据那些被阻停夸克所携带的电荷推算出的预期值的两倍。按照基于QCD的模型，这意味着：被阻停的夸克数量根本不足以产生实验中观测到的这些重子。

那么，这些额外出现的重子究竟来自哪里？STAR的物理学家认为，答案可能在于胶子——更具体地说，是那个通常将三个价夸克连接在一起的Y形重子结。

夸克向前，重子结留下

STAR团队认为，当组成原子核的质子在RHIC中发生碰撞时，连接夸克的重子结，相比三个夸克本身，要更容易被阻停下来。它所携带的能量随后全部转化为新的重子，向垂直于束流的方向喷射出去；与此同时，原本由它连接的那些夸克则继续沿着束流管向前飞行。

即使质子被加速到越来越高的能量，重子结也始终存在。但是在高能情况下，质子内部的胶子会不断发生分裂和增殖。随着胶子的数量越来越多，每一个胶子（包括构成重子结的胶子）所分担的质子总动量也越来越少；而仍然存在的夸克，则继续携带质子向前运动的大部分动量。这意味着，在碰撞发生的一瞬间，相比高速向前飞行的夸克，运动较慢的Y形胶子结构更容易被阻停下来，并转化为新的粒子。

在碰撞发生时（左），质子中的三个价夸克（uud）会继续沿束流管向前飞行，而由胶子形成的Y形重子结则更容易被阻停下来（右）。随后，重子结会从真空中“抓住”三个新的夸克，形成一个新的重子，从而保留原有的重子数；与此同时，那些“脱离”重子结的价夸克则会分别与新的反夸克配对，形成介子。（图/Valerie A. Lentz/Brookhaven National Laboratory）

而且，与同时阻停三个彼此独立的夸克相比，阻停一个整体（重子结）的过程也更容易发生。因此，在碰撞之后，重子结可能被留在中间区域，而夸克继续沿束流方向向前飞行。

接下来，由于夸克和胶子都不能孤立存在，它们会立刻与新产生的粒子重新组合。用一个高度简化的图景来说，原来沿束流方向继续向前飞行的三个夸克，可以分别与反夸克结合形成介子；而被截留下来的Y形重子结，则会从真空中“抓住”三个新产生的夸克，与它们结合形成一个新的重子。

不过，在真实的碰撞中，这一转化过程通常要剧烈得多。虽然最初的原子核大约只包含100个质子和100个中子，但一次碰撞却会产生数千个新粒子，约99%的能量都会转化为新粒子。而且，一次碰撞产生的粒子越多，实验中观察到的中快度重子过剩就越明显，越偏离“重子数只由夸克携带”这一模型的预测。

而实验中观察到，大量新产生的重子正是从垂直于束流的方向飞出，这为重子结的存在提供了有力支持。

真的由重子结携带吗？

确定究竟是什么在携带重子数具有重要意义。这项研究挑战了长期以来这样一种观点，即重子数只是简单地分配给三个夸克并由它们携带。研究人员表示，这一新的认识正在重塑我们对物质结构的理解，并加深我们对于塑造今天这个宇宙的最基本要素的认识。

#参考来源：

https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=122692

https://www.science.org/content/article/new-explanation-why-universe-s-supply-nuclear-matter-fixed

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads5962

#图片来源：

封面图&首图：Valerie A. Lentz/Brookhaven National Laboratory