Science刊文：质子内部“胶水”或隐藏着物质身份之谜！

长期以来，物理学教科书告诉我们，质子由三个价夸克组成，每个夸克携带三分之一的重子数。重子数是粒子量子身份的基本组成部分，它决定了质子和中子的数量，也维系着宇宙中物质与反物质的不对称。然而，美国布鲁克海文国家实验室RHIC对撞机上的STAR探测器最新发现，可能颠覆这一延续数十年的假设。研究表明，胶子——这种在质子内部充当“胶水”、将夸克束缚在一起的粒子——或许才是重子数的真正携带者，而承载这一功能的关键，是一种隐秘的Y形“胶子结”或“重子结”。

早在20世纪70年代，物理学家就提出重子结的概念，用以描述胶子如何连接质子内部的价夸克。1996年，理论物理学家哈尔泽耶夫进一步指出，这个结合处可能不仅束缚夸克，还能承载重子数。如今，STAR合作组利用RHIC上多种粒子碰撞数据，首次对这一可能性进行了系统检验。他们比较了不同碰撞中产生的净重子数与电荷重新分布的方式，结果发现了一个显著的不匹配：观测到的重子数量约为根据停驻夸克所携带电荷预期值的两倍。换言之，被停驻的夸克根本不足以解释探测器中出现的全部重子。

这一意外过剩指向了另一种机制。研究人员提出，当原子核高速碰撞时，质子内部的胶子结减速难度远低于三个高速运动的价夸克。随着质子能量升高，胶子不断分裂增殖，每个胶子携带的动量份额逐渐减小，构成交点的胶子因此更容易被阻止并转化为新粒子。在碰撞中，重子结被滞留在后方，而夸克继续沿束流方向飞出。随后，Y形胶子结从真空中“抽出”三个新夸克，形成新的重子，从而保持重子数守恒；释放出的夸克则各自与反夸克配对，生成介子。

这一发现意义深远。重子数守恒不仅关乎RHIC中的碰撞实验，更适用于整个宇宙：自大爆炸以来，质子与中子的总数保持不变，这一守恒现象的原因至今不明，并与为何宇宙中物质多于反物质密切相关。重子数守恒还直接关联质子的非凡稳定性——质子寿命被认为比宇宙年龄还长，正是这种稳定性让原子核得以形成，物质得以存在。

STAR团队的成果挑战了“重子数仅在三个夸克之间分配”的传统观点，重塑了我们对物质结构的思考。如果胶子结确实携带并传输重子数，那么构成当今宇宙的根本要素，可能比我们想象的更为复杂和神秘。热门微博科学新闻物理学基本粒子