来自相对论性重离子对撞机（RHIC）STAR探测器的新发现正在挑战关于质子的一种重要量子属性的熟悉画面。结果表明，胶子，即将夸克粘合在一起的粒子，可能在携带和保存重子数方面发挥关键作用。证据来自于RHIC的高能粒子碰撞，这是一项由美国能源部（DOE）科学办公室提供的核物理研究用户设施，从2000年到2026年初在DOE的布鲁克海文国家实验室运营。根据发表在《科学》杂志上的新研究，重子数可能与连接质子三个主要夸克的Y形“接点”胶子有关。如果得到证实，这将挑战长期以来认为重子数仅属于这些夸克的假设。“传统上，科学家们认为质子或中子的三个主要‘价夸克’各携带重子数的三分之一，”肯特州立大学的教授、布鲁克海文实验室的联合任职者徐张步说。胶子的一个数十年旧的想法 物理学家在1970年代首次提出重子接点，也称为胶子接点，以描述胶子如何连接质子内部的价夸克。在RHIC开始运营前四年，即1996年，斯托尼布鲁克大学和布鲁克海文实验室的理论物理学家德米特里·卡尔泽夫提出这种接点可能承担更为基本的责任。不是价夸克携带重子数，而是接点本身可能负责。STAR合作组现在已经开发出一种测试这种可能性的方法，利用RHIC产生的几种类型的碰撞。“通过使用来自RHIC不同类型粒子碰撞的数据，我们的结果表明，重子数不仅仅由个别夸克携带，”徐补充道。“我们的发现强烈支持这样的观点：当胶子以这种特殊配置排列时，重子数更有利于由胶子携带和传输，而胶子则是将夸克结合在一起的粒子。” 重子数的重要性 确定实际携带重子数的东西事关重大，远不止质子的内部结构。在RHIC碰撞中，重子数的守恒意味着碰撞前后重子的总数，即质子和中子的三夸克粒子，必须保持不变。相同的守恒原则也适用于宇宙的规模。“自大爆炸以来，质子和中子的总数随着时间的推移从未变化，”于2020年作为博士后在布鲁克海文实验室启动该项目的莱斯大学STAR物理学家妮可·刘易斯说。“这种守恒的原因尚不清楚。这是宇宙的一个谜，与我们为何拥有比反物质更多的物质有关，”她说。重子数的守恒还有一个更为直观的后果。它有助于解释质子的非凡稳定性，质子是原子核的中心部分，在普通情况下似乎不会衰变。“人们认为质子的寿命超过宇宙的寿命，”刘易斯说。“这使得原子核能够形成并保持稳定——这意味着，作为我们在宇宙中与之互动的物质能够存在。” 更复杂的质子 胶子携带重子数的可能性将推翻许多教科书中发现的标准简化描述。在这种图景中，质子的重子数为加一，平均分配在其三个主要的价夸克中。因此，每个夸克携带重子数的三分之一，就像质子的电荷在其三个价夸克之间分配一样。但真正的质子比这种简化模型所暗示的要复杂得多。“在幼稚的夸克模型中，质子内部有三个夸克，但没有其他的东西，”曾是肯特州立大学的博士后、现任DOE阿贡国家实验室的汤米·曾说。“但如果我们查看内部细节，不仅有三个夸克，还有许多胶子相互作用，连接这些夸克，而且还有从真空中跃现的夸克和反夸克，所以实际是一个非常复杂的物体。”量子色动力学（QCD），用于描述这些相互作用的理论，在解释夸克和胶子之间作用的强大力方面取得了很大成功。尽管如此，受到QCD启发的模型在希望重现RHIC几乎以光速撞击原子核时观察到的一些粒子模式时，通常需要附加假设。 重子数的意外过剩 STAR团队特别关注的一个观察结果是，探测器反复记录到来自碰撞侧面、与入射束方向垂直的重子数量超过反重子的数量。“在STAR探测器中，我们一贯看到来自碰撞的重子数量超过反重子，方向与入射粒子束垂直。