胶子结或可解释质子重子数的来源

这些发现将挑战关于自然界基本守恒定律之一如何存储在物质内部的标准图景。

质子看起来如此简单，由三个夸克通过胶子结合在一起。然而，这种表象可能具有欺骗性。
新的测量结果表明，它最基本的性质之一可能根本不属于那三个夸克。

这些测量来自布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机（RHIC）上的 STAR（螺线管径迹探测器）探测器；该设施在探测夸克和胶子 25 年后，最近完成了最后一批对撞。

结果提示，重子数——区分质子、中子等物质与其他粒子的量子性质——可能由一个隐藏的、由胶子构成的 Y 形结构携带。

“在朴素的夸克模型中，质子内部只有三个夸克，没有别的。但如果我们观察内部细节，不仅有三个夸克，还有大量胶子相互作用、连接这些夸克，而且还有从真空中产生的夸克和反夸克，所以它实际上是一个非常复杂的对象。”研究人员之一、阿贡国家实验室科学家汤米·曾（Tommy Tsang）说。

如果得到证实，这些发现将挑战关于自然界基本守恒定律之一如何存储在物质内部的标准图景。

隐藏在明处的粒子性质

每个质子和中子的重子数都是 +1。几十年来，物理学家通常认为这个数被平均分配在粒子内部的三个价夸克上：每个夸克携带三分之一。

然而，存在一个问题。质子包含的远不止三个夸克。其内部是由胶子、夸克和反夸克组成的不断变化的海洋，所有这些都受量子色动力学——强相互作用理论——支配。

因此，科学家从未直接确定重子数究竟属于夸克，还是属于连接它们的胶子结构。

另一种方案是重子结——一种连接三个夸克的 Y 形胶子场排列。这一概念于 20 世纪 70 年代在理论上被提出，并在 1996 年发展为对高能碰撞中重子数输运的一种可能解释。

STAR 合作组如今发现了支持这一图景的证据。

将碰撞转化为检验

研究人员并不是简单地观察质子内部。相反，他们把 RHIC 当作一种粒子尺度的压力测试。

STAR 分析了几种高能碰撞，包括同量异位素核碰撞和光核碰撞，并比较了碰撞后重子及其反物质对应物出现的位置。研究团队还将新结果与早先的金-金（Au+Au）碰撞测量进行了比较。

关键线索是意想不到的重子过剩。“在 STAR 探测器中，我们持续看到从碰撞中垂直于碰撞束流方向出射的重子过剩。”曾补充说。

如果三个价夸克是重子数的唯一来源，那么重子过剩的数量应当与这些夸克携带的电荷相对应。电荷为研究人员提供了一种独立的方法，来估计碰撞中有多少价夸克被阻止。

然而，STAR 发现的重子产额约为根据测量到的电荷推断出的价夸克阻止量所对应预期值的两倍。在这项研究中，这表现为 B/∆Q 比值大于价夸克携带重子数的模型所预测的值。

如果重子数只是随着三个快速运动的夸克一起移动，这种不匹配就很难解释。

重子结模型提供了另一种可能性

在 RHIC 能量下，质子包含大量胶子。随着胶子分裂和增殖，三个价夸克保留了质子的大部分前向动量，而胶子结携带的动量相对较少。因此，在碰撞过程中，结可能比夸克更容易被阻止。

在这一图像中，被阻止的结可以促进新重子的产生，而原来的夸克继续沿束流方向前进。由于重子结连接三个色荷，它可以有效地召集三个新夸克并形成一个新重子。这可以解释为什么重子数会出现在远离原来夸克的地方。

研究人员在光核碰撞中测量到的净质子产额随快度的分布中发现了另一条线索。该分布的不对称性低于将重子数赋予价夸克的模型所预期的程度。

STAR 还发现，在考虑奇异夸克产生被压低后，中快度净超子产额对束流能量的依赖性在很大程度上是“味盲”的，这是与重子结输运一致的另一个特征。

这些观测结果与先前的金-金碰撞测量一起，不支持价夸克作为重子数唯一携带者的图景。

它们也补充了 RHIC 日益增多的研究，这些研究表明碰撞可以揭示夸克和胶子在极端条件下的意外行为，包括在这些碰撞中产生的夸克-胶子等离子体的奇特性质。

一条线索，而非最终结论

这一结果并不意味着科学家已经完全解开了这个谜团。证据来自碰撞模式以及与理论模型的比较，而不是直接观察质子内部的重子结。

不过，其意义远不止于 RHIC。重子数守恒与普通物质的稳定性有关，也与宇宙学最深刻的谜题之一有关：为什么宇宙中的物质远多于反物质。

反物质实验仍在试图解释物质如何在大爆炸后幸存下来，因此任何对重子数更好的理解都可能对宇宙学很重要。即使单个质子和中子转化为其他重子，重子数也可以守恒；保持不变的是总重子数。

RHIC 本身已于 2026 年初停止运行，因此未来的检验将不得不依赖现有数据以及其他能够探测强相互作用的研究设施。一个重要的后继者将是电子-离子对撞机（Electron-Ion Collider），其设计目标正是探测夸克和胶子如何构建物质结构。

下一个挑战是确定同一种由胶子驱动的机制能否在不同碰撞体系和能量下一致地解释重子输运。

如果确实如此，那么不起眼的质子可能就需要被重新认识——不是三个携带共同身份的夸克，而是三个被胶子结构连接起来的夸克，而这个胶子结构可能有助于定义该粒子本质上是什么。

这项研究发表在《科学》（Science）杂志上。

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