這一事件在1973年就被預(yù)測過，但在現(xiàn)實(shí)世界中從未出現(xiàn)過。一種前所未見的粒子在兩臺粒子對撞機(jī)熾熱的管道顯現(xiàn)出來，證實(shí)了半個(gè)世紀(jì)以來的理論。

1973年，科學(xué)家預(yù)言了這種被稱為“奇異子”的粒子的存在，并將其描述為三種被稱為膠子的更小粒子的一種罕見的、短暫的結(jié)合。從那時(shí)起，研究人員就懷疑當(dāng)質(zhì)子以極快的速度相互碰撞時(shí)，“奇異子”可能會(huì)出現(xiàn)，但使它突然出現(xiàn)的精確條件仍然是一個(gè)謎。

在比較了LHC和Tevatron們的數(shù)據(jù)后，研究人員報(bào)告了古怪物存在的確鑿證據(jù)。LHC（ 大型強(qiáng)子對撞機(jī)）是位于日內(nèi)瓦附近的一個(gè)17英里(27公里)長的環(huán)形原子對撞機(jī)，以發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子而聞名;而Tevatron（萬億電子伏加速器）是美國的一個(gè)3.9英里(6.3公里)長的對撞機(jī)，于2011年之前在伊利諾斯州將質(zhì)子和它們的反物質(zhì)雙胞胎(反質(zhì)子)撞擊在一起，現(xiàn)在已經(jīng)不再使用了。

奇異子是這樣被發(fā)現(xiàn)的，在這些粒子碰撞之后，科學(xué)家們觀察發(fā)生了什么。他們的理論是，在質(zhì)子-質(zhì)子碰撞和質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞中，奇異子的出現(xiàn)率會(huì)有細(xì)微的不同。

這種差異將揭示質(zhì)子與質(zhì)子碰撞的頻率與質(zhì)子與反質(zhì)子碰撞的頻率之間出現(xiàn)輕微的不匹配。LHC和Tevatron的碰撞發(fā)生在不同的能級上。但這篇新論文背后的研究人員開發(fā)了一種數(shù)學(xué)方法來比較他們的數(shù)據(jù)。它產(chǎn)生了這個(gè)圖表，他們稱之為“金錢圖”

圖表顯示了兩條相似的線，但并不遵循完全相同的路徑。這兩條線之間的差異是由于奇點(diǎn)的存在。(圖片來源:堪薩斯大學(xué))

代表質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞的藍(lán)線，與代表質(zhì)子-質(zhì)子碰撞的紅線并沒有完全對齊。這種差異是奇異子的出現(xiàn)的信號，證明有5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)顯著性，這意味著這種效應(yīng)不涉及奇異子而隨機(jī)出現(xiàn)的概率是350萬分之一。

為什么質(zhì)子碰撞會(huì)產(chǎn)生奇異子？那么，什么是奇異子?本質(zhì)上，它們是三種被稱為膠子的“粘性”粒子的罕見組合。

質(zhì)子不是基本粒的、不可分割的粒子。相反，它們是由三個(gè)夸克和眾多膠子組成的。這些夸克是亞原子世界的重磅撞擊者，相對龐大，構(gòu)成了質(zhì)子和中子的質(zhì)量(因此，也構(gòu)成了大部分原子的質(zhì)量)和電磁電荷。

但是膠子扮演著同樣重要的角色:它們攜帶著強(qiáng)大的力，宇宙的四種基本力之一，負(fù)責(zé)將夸克“粘”在一起成為質(zhì)子和中子，然后將這些質(zhì)子和中子結(jié)合在原子核中。

當(dāng)質(zhì)子在像大型強(qiáng)子對撞機(jī)這樣的粒子對撞機(jī)中以超高能量碰撞時(shí)，大約有75%的概率它們會(huì)碎成碎片。

在剩下的25%的概率，它們像臺球桌上的臺球一樣互相碰撞。在這種情況下，一個(gè)稱為彈性散射的過程使質(zhì)子在碰撞中幸存。物理學(xué)家認(rèn)為這是可能的，因?yàn)橘|(zhì)子交換兩個(gè)或三個(gè)膠子。在短暫的接觸中，這組膠子從一個(gè)質(zhì)子的內(nèi)部移動(dòng)到另一個(gè)質(zhì)子的內(nèi)部。

“在高能物理中，當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子相互作用，或者一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子相互作用時(shí)，總是交換一些粒子”，該研究的主要作者，堪薩斯大學(xué)的物理學(xué)家克里斯托弗.羅伊昂告訴《Live Science》。

在大多數(shù)情況下，它將是一個(gè)膠子。重要的是，質(zhì)子-質(zhì)子碰撞和質(zhì)子-反質(zhì)子碰撞都會(huì)交換粒子，因?yàn)檎沁@兩種交流方式的細(xì)微差別揭示了奇異子的存在。偶爾，在碰撞中會(huì)出現(xiàn)一種被稱為膠球(一對或三個(gè)膠子)的準(zhǔn)狀態(tài)。

科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)了雙膠球的存在，但這是他們第一次有信心地觀察到被稱為奇異子的三重膠球，正如1973年所預(yù)測的一樣。

因?yàn)榫哂幸环N叫做色荷的特性，這些膠球得以保持質(zhì)子完整性。色荷(和反色荷)類似于正負(fù)電磁電荷，它們控制著夸克和膠子如何相互吸引或排斥，在一個(gè)比電磁學(xué)復(fù)雜得多的系統(tǒng)中，即即量子色動(dòng)力學(xué)?？淇撕湍z子有三種色荷，分別是紅、綠、藍(lán)。

紅色、綠色和藍(lán)色的組合被稱為“白色”，因此，是平衡的。與此同時(shí)，反夸克具有反色荷、反紅、反綠、反藍(lán)，它們與對應(yīng)的顏色相互抵消，形成穩(wěn)定、平衡的白色電荷。

膠子同時(shí)具有有色荷和反色荷。但是單個(gè)膠子總是一種不穩(wěn)定的色荷和反色荷的混合物:藍(lán)色和反綠色，或紅色和反藍(lán)色，等等?！懊總€(gè)膠子都有一個(gè)色荷和一個(gè)反色荷。而且(這些膠子)不喜歡獨(dú)處，”羅伊昂說。

當(dāng)一個(gè)膠子進(jìn)入一個(gè)新的質(zhì)子時(shí)，它會(huì)抓住其他粒子（組成質(zhì)子的夸克和膠子）。單膠子試圖與粒子配對，以平衡它的色荷和反色荷。

但質(zhì)子內(nèi)部的色荷已經(jīng)處于平衡狀態(tài)，而外來的不穩(wěn)定膠子的進(jìn)入破壞了質(zhì)子的內(nèi)部平衡，引發(fā)了一系列事件，將粒子撕裂。在75%的碰撞中質(zhì)子被粉碎，這就是當(dāng)時(shí)發(fā)生的事情。

但在另外25%的碰撞中，質(zhì)子互相反彈而不是粉碎，這表明膠子交換涉及了雙膠球或三重膠球(奇異子)，所以它沒有破壞質(zhì)子的內(nèi)部平衡。

雙膠球有自己的內(nèi)部平衡。它們的色荷和反色荷是匹配的，可以很容易地從一個(gè)質(zhì)子滑到另一個(gè)質(zhì)子，而不會(huì)把它們撕開。

1973年，研究人員指出，從理論上講，三個(gè)膠子應(yīng)該能夠形成一個(gè)紅、綠、藍(lán)三色相互平衡的三重膠球。他們稱這種粒子為奇異子。膠子和多膠子的交換在極端的能量下、極短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生。到目前為止，還沒有人看到過或直接探測到過奇異子(或雙膠球，盡管它的存在已經(jīng)被間接證實(shí))。

正如紐約州立大學(xué)石溪分校天體物理學(xué)家保羅·薩特2019年在《Live Science》雜志上發(fā)表的一篇文章中所寫的那樣，發(fā)現(xiàn)奇異子并不會(huì)改變物理學(xué)的面貌，當(dāng)時(shí)研究人員首次發(fā)現(xiàn)了這種粒子可能存在的證據(jù)。

薩特和其他許多研究人員認(rèn)為，它根本不是一種真正的粒子，而是一種準(zhǔn)粒子，因?yàn)樗徊贿^是更小粒子的臨時(shí)排列。(然而，質(zhì)子和中子也是如此。)

羅伊昂說，這個(gè)發(fā)現(xiàn)很重要，因?yàn)樗C實(shí)了1973年粒子物理學(xué)研究人員用來預(yù)測奇異子存在的基本理論是正確的。

BY: Rafi Letzter

FY: 生命動(dòng)力

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