有一种物质,不是由粒子组成,而是由"力"本身组成。
它被物理学家预言了将近半个世纪,全世界的实验室找了又找,始终看不到踪影。直到今天凌晨——中国科学家宣布:找到了。
北京时间8月6日,在巴西举行的国际高能物理大会上,北京谱仪Ⅲ实验国际合作组以大会特别报告的形式向全世界宣布:经过15年持续研究,他们建立了完整证据链,证实了一种叫做"胶球"的粒子真实存在。
这不是一次普通的实验验证。它意味着,人类第一次确认了一种全新物质形态——纯粹由"力"构成的物质。
什么是"力构成的物质"?
要理解这件事的分量,得从物质的基本结构说起。
我们都知道,原子核由质子和中子组成,质子和中子内部还有更小的粒子——夸克。夸克之间存在一种强大的相互作用力,由一种叫"胶子"的粒子来传递。胶子的角色,就像光传递电磁力一样,是"力的搬运工"。
但胶子有一个极其特殊的地方:光子不会自己吸引自己,光束交叉时互不干扰;而胶子会。胶子携带它所传递的"电荷",能自我吸引、自我纠缠。
这意味着什么?意味着胶子可以脱离夸克,自己跟自己绑定在一起,形成一个独立的粒子——一个纯粹的"力之球",也就是胶球。
在描述强相互作用的"量子色动力学"理论中,胶球是核心预言之一。它是已知粒子世界中,唯一一种由"传递力的粒子"本身构成的粒子。
理论写在纸上快50年了。但实验上,就是找不到。
为什么这么难找?
胶球的"难找",不是因为它有多遥远或多稀少,而是因为它太"善变"了。
胶球极不稳定,产生后会瞬间衰变成其他粒子。科学家能探测到的只是它衰变后留下的"痕迹",而不是它本身。这就像在一个嘈杂的房间里,要通过别人喊话的回声来判断有没有一个看不见的幽灵在说话——而且这个幽灵的声音还和其他人的声音混在一起。
全球的粒子物理实验室投入了大量精力,欧洲核子中心CERN、美国费米实验室、日本的B介子工厂都尝试过,但始终无法给出确凿的证据。信号总是模糊的、间接的,不足以形成定论。
中国装置的15年"笨功夫"
破局的关键,是北京正负电子对撞机。
这台位于北京玉泉路的大科学装置,能大量产生一种叫J/ψ的粒子——它是诺贝尔奖得主丁肇中先生发现的,衰变时特别"喜欢"释放胶子,是制造胶球的天然温床。
2008年完成重大升级后,北京谱仪Ⅲ探测器开始日夜不停地采集数据。15年间,它累计记录了超过100亿个J/ψ粒子的衰变事件——这是一个无与伦比的数据宝库,让北京谱仪Ⅲ成为陶-粲能区"无可争议的世界领导者"。
2011年,团队在J/ψ的衰变产物中发现了一个新粒子,编号X(2370)。它的种种特征,和理论预言的胶球高度吻合。但"像"不够,必须"是"。
2024年,团队利用100亿个J/ψ粒子样本,精确测定了X(2370)的自旋和宇称量子数——相当于提取了这个粒子的"量子指纹"。结果与理论预言完全一致。这是关键一步,但还差最后一块拼图。
最后一块拼图:"味单态"
最近,由南京大学金山教授和中科院高能所黄燕萍研究员共同领导的团队,完成了致命一击。
他们发现了X(2370)的多个新衰变模式,并首次测出了它最核心的身份特征——"味单态"性质。
这是什么意思?普通的粒子——质子、中子、介子——都由不同"味道"的夸克组成:上夸克、下夸克、奇异夸克……每种粒子都有自己的"味道标签"。但胶球由纯胶子构成,不含任何夸克,因此不含任何"味道"信息,物理学上称之为"味单态"。
研究团队寻找了一种只有"非味单态"粒子才能产生的特定衰变模式——结果信号为零。这恰恰证明X(2370)是"味单态"的,完美符合胶球的核心特征。
至此,从质量到量子数再到味单态性质,三条独立的证据线全部交汇于同一个结论:X(2370)就是物理学家找了近50年的胶球。
这意味着什么?
这不是一个"又发现了一个新粒子"的普通消息。
首先,它验证了量子色动力学——描述强相互作用的核心理论——的一个根本性预言。胶子能自我结合形成新物质,这个理论终于有了决定性的实验支撑。标准模型的关键一环,被补上了。
其次,它揭示了一类全新的物质形态。在我们已知的物质世界中,所有粒子都由夸克组成;而胶球,是唯一一种不由夸克组成、纯粹由"力"构成的物质。这不是补充,是开辟。
第三,它证明了中国粒子物理实验的世界级能力。这不是借助别人的设备"挂名参与",而是中国自主建设运行的大科学装置,主导了一个50年级别的物理学重大发现。来自15个国家、96个研究机构的约700名科学家组成的国际合作组,是在中国的装置上、用中国的数据,完成了这一突破。
一个细节值得记住
这次成果是在国际高能物理大会上以"大会特别报告"的形式发布的。这个会议每两年一次,只有特别重大的成果才会增加全体会议的特别报告环节。
换句话说——不是他们想高调,是这件事本身的分量,值得全世界坐在台下听。
50年,从理论预言到实验证实。一群中国科学家,在北京地下的一台对撞机旁,用15年的"笨功夫",把物理学教科书上的一个问号,变成了一个句号。
信息来源:中国科学院高能物理研究所、央视新闻、科技日报、中国日报
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