故纸堆里面找到的原子新浆糊

    我们都知道原子是由电子,质子和中子组成的,其中质子和中子组成小而致密的原子核,电子则围绕着原子核运动,在电子和原子核之间存在一个非常空旷的空间,因为和原子的大小比较起来,原子核的直径要小上千倍。这个图像早在20世纪初就被英国著名物理学家卢瑟福建立了起来,因为他运用a粒子,也就是氦原子去掉电子后的裸核,去轰击很薄的金属箔片,发现只有大约八千分之一的几率被反弹回来,也就是说几乎全部氦核都畅通无阻地通过了金属箔片,由于氦核只有在和金属箔片的原子核直接发生碰撞,才会被反弹回来,所以这个结果只有一个解释,就是原子核非常地小而致密。

    这个原子模型立刻带来了很多令人迷惑的问题。首先是电子围绕原子核的运动的稳定性问题,由于电子和原子核的电荷相反,电子能够围绕原子核进行运动是可以理解的,但是根据经典电磁学,电子作为电荷,在运动时必定发射电磁辐射,从而不断放出能量,使得电子最终会坠落到原子核上面去,这个推论显然和原子结构的稳定性直接矛盾,这个问题被后来的量子力学完美解决。

    但是还有另外一个更加困难的问题,就是既然中子和质子紧密堆积在一起构成原子核,而质子总是带正电荷,相同电荷之间会产生排斥力,要把多个质子紧密堆积起来,是靠什么力量来抵消掉随着距离减小而飞快增大的电荷斥力的呢?质子和中子之间,多个中子之间又是依靠什么力量沾接在一起的呢?人们为了得到这个答案,就只有从探测质子和中子本身的结构着手,因此大量地进行粒子碰撞实验,因为对于微观世界的粒子,人们唯一的直接探测手段,就是使劲地让各种粒子发生相互碰撞,然后再纪录下碰撞后被撞出来的碎片的所有可观测物理量,再从这个碰撞过程去推测把粒子维系在一起的作用力,以及粒子本身的可能结构。最终人们建立了质子与中子这类重型粒子的相互作用的理论,提出是一种称为强相互作用的力量把质子和中子沾接为一个致密的原子核的,而无论是质子还是中子,则是由一种迄今还没有被单独观测到的更加基本的粒子-夸克所构成的。

    尽管关于强相互作用的理论已经基本建立起来了,但是对于强相互作用力究竟是如何把亚原子粒子沾接为一个原子的详细过程,还并不是完全弄清楚了的。最近一位意大利物理学家就通过整理以前的碰撞实验的数据,而发现了一种奇怪的亚原子粒子,可能充当了非常重要的沾接原子的浆糊的作用,从而使得理论物理学家也不得不重新考虑他们建立起来的强相互作用的理论。

    马瑟罗.乔基是意大利比萨大学的一位粒子物理学家,他和他的研究小组整理了设置在美国斯坦副线性加速器中心(SLAC)的BaBar探测器上面最近3年得到的大量数据。这个探测器纪录了这3年来SLAC不断进行的电子和正电子的碰撞实验的结果,这种高能量的粒子碰撞实验能够产生大量的粒子碎片,当然这种所谓碎片并不是一般人印象里面的破烂,而是属于亚原子粒子,BaBar探测器的任务就是忠实地尽可能地纪录下每一个这种碎片的各种可观测物理量,然后物理学家们就可以根据这些数据来还原碰撞过程,并找到说明其结构依据。正是从这些纪录里面,乔基他们发现了一个极其奇怪的粒子。

    这个新发现的粒子被称为Ds (2317),它最令人迷惑的地方是它的质量,按照爱因斯坦的相对论,质量和能量是等效的,所以在高能物理实验里面,质量和能量使用了同一个单位-电子伏特,而Ds (2317)的质量为2317兆电子伏特,这也是它的名称的来由。而这个质量比人们预测的要小不少。由于质量与能量的等效,小的质量意味着该粒子的能量也小,这对于研究把原子沾接起来的强相互作用是非常有意义的,因为通过找到粒子的夸克结构,可以获知其中强相互作用的重要知识,而这种新奇粒子正是具有非常罕见的夸克结构。

    夸克是组成质子和中子这类重子的基本粒子,根据不同的对称性质,它分为6种:顶夸克,底夸克,粲夸克,奇异夸克,上夸克和下夸克。其中上夸克和下夸克是最轻的也是最常见的夸克,它们3个一组构成了质子和中子。而Ds (2317)则与质子和中子迥然不同,根据它在碰撞中的表现,物理学家推测它只是由两个夸克组成,并且是两个重型夸克,由其中一个较轻的反奇异夸克围绕一个较重的粲夸克作轨道运动而构成了Ds (2317)。
由于目前有关强相互作用的知识都是来自对由轻夸克组成的粒子的研究,所以物理学家对于这种由重型夸克构成的粒子充满极大的好奇心,有理由相信对Ds (2317)的研究能够增加我们对于强相互作用的新的理解。

    同时,也还有物理学家认为Ds (2317)可能是由4个夸克构成的,其中两两构成一个夸克对。这样一种“夸克分子”很早就被人预测过,但一直没有在实验当中发现,而Ds (2317)的发现使得人们重新想起了这个理论预测。如果最终发现这个预测是正确的话,对于强相互作用理论也会是一个重大的进展。

    正是由于Ds (2317)是如此的诱人,使得世界上多个粒子加速器和对撞机的研究人员,例如位于康乃尔大学的高能同步加速器,位于日本的高能加速器研究组织等,都开始赶紧去整理过去得到的数据,希望能够象乔基那样幸运的在故纸堆里面找到Ds (2317)的倩影,毕竟,如果Ds (2317)真的是能够有助于我们理解原子里面的浆糊是怎么回事的话,任何劳累都是值得的。