前蘇聯物理學家列夫·朗道幾十年前的預測竟成真？

如何研究強力？

上世紀五十年代，前蘇聯物理學家列夫·朗道（Lev Landau）首次提出了“三角奇點”（triangle singularity）這一怪異現象的假設。

高能量碰撞產生如希格斯玻色子（Higgs boson）這樣的新粒子的抽象圖。

（圖源：《太空的一切》（All About Space）雜誌經由蓋蒂圖片社（Getty Images）提供。）

物理學家篩選舊的粒子加速器資料後，發現了一種從未見過的現象，非常難以捕捉到，也就是所謂的三角奇點。

上世紀五十年代，前蘇聯物理學家列夫·朗道首次設想出這一現象。三角奇點是指一種罕見的亞原子過程，在這過程中粒子會在飛離彼此前交換“身份”。

在這種情況下，兩個叫做K中介子（kaons）的粒子形成了三角形中的兩個點，而這兩粒子交換“身份”後成為的粒子，則形成了三角形的第三個點。

研究的共同作者，波恩大學亥姆霍茲輻射與核物理研究院的伯恩哈德·凱澤（Bernhard Ketzer）在一份發言中說道：“在此過程中所涉及的粒子，交換了夸克並改變其‘身份’。”

因為描述亞原子粒子互動作用的數學方法都失效了，所以就稱其為奇點。

如果這種非常怪異的粒子“身份”交換真的存在，那麼就能幫助物理學家理解將原子核內部綁在一起的強力（ the strong force）。

“羅盤”實驗的進展

2015年，在瑞士歐洲核子研究組織（CERN）研究粒子碰撞的物理學家認為，他們已經捕捉到這種粒子短暫奇異集合的瞬間，並稱這種粒子為四夸克（tetraquark）。但是有新的研究卻支援一種完全不同、甚至更為怪異的解釋：一對粒子並沒有形成新的集合，反而在飛離前交換了“身份”。這種“身份”交換叫做三角奇點，意想不到的是，他們的這項試驗可能首次證明了這一過程存在。

CERN的結構和光譜學普通μ介子質子工具（Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy，簡稱COMPASS，“羅盤”）實驗，對強力進行了研究。強力的作用（讓質子和中子黏在一起）非常簡單，可強力本身卻複雜得讓人頭暈目眩，曾有過一段時期，物理學家很難完全描述強力在所有這些互動作用中的行為。

所以“羅盤”實驗中的科學家為了理解強力，就用超級質子同步迴旋加速器（the Super Proton Synchrotron）中的超高階能量，把聚在一起的粒子粉碎了。隨後科學家就能觀測結果。

實驗先從介子（pion）開始，介子是由夸克和反夸克這兩個基本建構單元組成。強力讓介子內的夸克和反夸克黏在一起。不像其他基本自然力隨距離越遠而越弱，強力隨著夸克相隔越遠，反而更強（打個比方，介子中的夸克就像讓橡皮筋綁著，越把夸克分開就得越拉扯橡皮筋，彈力也就越大）。

隨後，科學家把介子加速到接近光速後，再讓其撞入氫原子核中。撞擊打破了夸克之間的強力，抑制著的能量全都釋放了出來。“轉變成了物質，又形成了新的粒子。”凱澤說道，“因此，像這樣的實驗就能給我們提供這種強烈互動作用的重要資訊。”

有四種基本自然力，分別是：重力，是最弱的力（左上角的圖）；電磁力，作用在較小的層面上；弱核子力，讓原子中的核子從質子轉化成中子，並在轉化過程中釋放貝塔射線；強力，固定住原子核中的核子，以及核子自身中的夸克。

（圖源：馬克·加利克（MARK GARLICK）/科學圖片庫（SCIENCE PHOTO LIBRARY）經由蓋蒂圖片社提供）

四個夸克還是一個三角？

回到2015年，“羅盤”實驗的科學家創紀錄地分析了5000萬份這樣的碰撞後，發現了一個非常有趣的訊號。這些碰撞發生後，有新粒子出現的情況不到1%。科學家將這種新粒子稱為“a1（1420）”，最初以為它是一種新的四個夸克的組合——四夸克。然而，這種四夸克不穩定，很快就蛻變成了其他東西。

通常，夸克以三個一組出現（組成質子和中子），或是成對出現（組成介子），所以四夸克是個重大發現，四個夸克的組合的確很難找到。

但是，八月份在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表的一篇新分析報告，則提出了一種更為怪異的解釋。

所有這些介子的碰撞，並沒有暫時形成新的四夸克，而是產生了某種意想不到的東西：傳說中的三角奇點。

終於談到三角奇點了

下面的說法，來自寫出這份新分析報告的科學家。介子撞入氫原子後分裂開來，和所有強力的能量，共同產生了一大群新粒子。其中有K中介子，這仍然是另一種夸克-反夸克成對組合。非常罕見的是，兩個K中介子產生後，開始各奔東西。最終，那些K中介子會蛻變成其他更穩定的粒子。但是在這之前，那些K中介子會互相交換彼此的一個夸克，在這過程中改變自身。

正是兩個K中介子間的短暫夸克交換，模擬出了四夸克的訊號。

凱澤說道：“在此過程中所涉及的粒子，交換了夸克並改變其‘身份’，隨後產生的訊號看起來和來自四夸克的訊號一模一樣。”凱澤也是跨學科研究領取“物質組成和基本相互作用”組（Transdisciplinary Research Area“Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions”）的成員 （TRA Matter）。

如果把初始撞擊後粒子的各自路線畫出來，就能看到這對K中介子形成了兩個支點，交換後的粒子在兩支點中間形成了第三點，整體看起來就是個三角形，這就是三角奇點的名稱由來。

物理學家預測三角奇點的存在，已有半個多世紀，而這次實驗是所有實驗中，最接近實際觀察三角奇點的一次。但這仍然不是件輕而易舉的事情。過程涉及三角奇點的新模型，其引數比四夸克模型的引數更少，對資料也更好擬合。但是這不是決定性的，因為原來的四夸克模型仍能解釋資料。

所以這還將是個非常有趣的構想。如果這個構想靠譜，就將成為探測強核力的有力工具，因為三角奇點的出現，源於我們對強力理解的預測，而此預測還沒有得到充分檢驗。

BY： Paul Sutter

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