科學(xué)家們普遍接受夸克的存在，夸克是構(gòu)成質(zhì)子和中子的基本粒子。但是關(guān)于它們的信息仍然是難以捉摸，因為它們之間的相互作用是如此強(qiáng)烈，以至于直接檢測它們是不可能的，而間接地探索它們的特性通常需要極其昂貴的粒子對撞機(jī)，以及數(shù)千名研究人員之間的合作。

因此，夸克在概念上仍然是陌生和奇怪的，就像《愛麗絲夢游仙境》中的柴郡貓一樣，它的咧嘴笑是可以察覺——但它的身體卻無法察覺。美國能源部阿貢國家實驗室的材料科學(xué)家瓦萊里·維諾庫爾等一批國際科學(xué)家開發(fā)了一種新方法來探索這些基本粒子，這種方法利用了高能物理中的夸克行為與凝聚態(tài)物理中電子行為之間的相似性。

博科園-科學(xué)科普：這一發(fā)現(xiàn)將有助于科學(xué)家制定和進(jìn)行實驗，為夸克約束、漸近自由和其他現(xiàn)象(如超絕緣體是否能同時存在于二維和三維空間)提供確鑿的證據(jù)。維諾庫爾與意大利佩魯賈大學(xué)的瑪麗亞?克里斯蒂娜?迪亞曼蒂尼和瑞士科技大學(xué)的卡洛?特魯根伯格合作，圍繞一種名為超絕緣體新物質(zhì)狀態(tài)設(shè)計了一種理論。他們確定，電子具有控制夸克相互作用的兩個重要性質(zhì)：約束和漸近自由。約束是將夸克結(jié)合在一起形成復(fù)合粒子的機(jī)制。與帶電粒子不同，夸克不能彼此分離，隨著它們之間距離的增加，它們的引力只會變得更強(qiáng)。這不是我們每天的經(jīng)歷，當(dāng)你把磁鐵分開時，它們分開會變得更容易，但夸克的情況正好相反，他們“抵制”強(qiáng)烈。

夸克相互作用也具有漸近自由的特征，即近距離的夸克完全停止相互作用，一旦它們彼此遠(yuǎn)離一定距離，核力就會把它們拉回來。上世紀(jì)70年代末，諾貝爾獎得主杰拉德?t?胡夫特(Gerard 't Hooft)首次用類比的方法解釋了這兩個新理論性質(zhì)。他設(shè)想了一種與超導(dǎo)體相反的物質(zhì)狀態(tài)，即它無限地抵抗電荷的流動，而不是無限地傳導(dǎo)電荷。在“超級絕緣體”(t Hooft將其稱為這種狀態(tài))中，具有不同自旋的電子對（庫珀對）將以一種數(shù)學(xué)上與基本粒子中的夸克約束相同的方式結(jié)合在一起。在超級絕緣體中，扭曲的電場會產(chǎn)生一根繩子，就像把庫珀對夫婦綁在一起，拉得越長，這對夫婦就越不愿意分開。這是將夸克結(jié)合在一起形成質(zhì)子和中子的機(jī)制。

1996年在不知道“超級絕緣體”類比的情況下，Diamantini和trugenberger以及他同事Pascuale sodano預(yù)測了超絕緣體的存在。然而直到2008年，由阿貢研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項國際合作在氮化鈦薄膜中重新發(fā)現(xiàn)了超絕緣體，它才從理論上得到證實。維諾庫爾指出，利用他們的實驗結(jié)果，構(gòu)建了一個描述超絕緣子行為的理論，并最終導(dǎo)致了他們最近的發(fā)現(xiàn)。這個理論建立了一個庫柏對模型，模擬了夸克的約束和漸近自由。超絕緣體理論充實了高能物理學(xué)家用來思考夸克的心理模型，并為利用容易獲得材料探索約束物理提供了一個強(qiáng)大的實驗室。研究表明，比連接庫珀對弦的典型長度更小系統(tǒng)表現(xiàn)出一種有趣的方式。在這種規(guī)模下，它們幾乎可以自由移動，因為沒有足夠的空間來發(fā)展高強(qiáng)度的力量，這種運動類似于夸克在足夠小的范圍內(nèi)自由運動。

維諾庫爾和佩魯賈大學(xué)(University of Perugia)的迪亞曼蒂尼(Diamantini)、特魯根伯格(Trugenberger)以及盧卡說：到目前為止，他們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種——它具有廣泛的意義，挑戰(zhàn)了關(guān)于玻璃如何形成的傳統(tǒng)觀念。為了發(fā)現(xiàn)如何合成二維或三維的超級絕緣體，研究人員需要“充分理解是什么讓一種材料變成三維，另一種材料變成二維”。新研究表明，三維超絕緣體在過渡到超絕緣狀態(tài)時表現(xiàn)出一種被稱為vgel - fulcher - tammann (VFT)的臨界行為。然而，二維超導(dǎo)絕緣體表現(xiàn)出一種不同的行為:Berezinskii-Kosterlitz-Thouless躍遷。VFT是三維超級絕緣體背后的機(jī)制，這一發(fā)現(xiàn)揭示了一個令人驚訝的事實：近一個世紀(jì)前首次描述的VFT轉(zhuǎn)變，是液體玻璃形成的原因。玻璃不像冰那樣是結(jié)晶的，它是由無定形、隨機(jī)排列的原子快速凝固成固體而形成。

自VFT被發(fā)現(xiàn)以來，它的成因一直是個謎，但科學(xué)家們一直認(rèn)為它起源于某種外部紊亂。維諾庫的論文中描述三維超級絕緣體挑戰(zhàn)了這一傳統(tǒng)觀念，相反它認(rèn)為無序可以從系統(tǒng)內(nèi)部缺陷演化而來。眼鏡可以是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的這一觀點是一個新發(fā)現(xiàn)——它們可以改變自身的固有屬性，同時在物質(zhì)上保持不變。這一根本性突破為理解自然界不可逆性的起源邁出了重要的一步，下一步將是觀察三維超絕緣體的這種理論行為。這項研究匯集了來自明顯不同學(xué)科的研究人員。維諾庫是凝聚態(tài)物理學(xué)家，而Gammaitoni則專注于量子熱力學(xué)。戴曼蒂尼和特魯根伯格都是量子場論的研究者。維諾庫說：最值得注意的是，我們來自非常不同的物理領(lǐng)域，結(jié)合我們互補(bǔ)的知識，能夠?qū)崿F(xiàn)這些突破！

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：阿貢國家實驗室

Savannah Mitchem, Christina Nunez,?Argonne National Laboratory

參考期刊文獻(xiàn):《Scientific Reports》

DOI: 10.1038/s42005-018-0073-9

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美