美國相對論性重離子對撞機（RHIC）上的 STAR 探測器的新發現，正在挑戰我們對質子如何獲得其一個定義性量子特徵的熟悉圖像。這些結果表明，作為將夸克黏合在一起的膠子的膠子（gluons），可能在攜帶和守恆重子數（baryon number）方面扮演關鍵角色。

證據來自 RHIC 的高能粒子碰撞。RHIC 是美國能源部（DOE）科學辦公室的核物理研究用戶設施，於 2000 年至 2026 年初在 DOE 的布魯克海文國家實驗室運行。根據發表在《科學》（Science）期刊上的新研究，重子數可能與連接質子三個主要夸克的 Y 形「膠子連接點」（gluon junction）有關。如果得到證實，這將挑戰長期以來認為重子數僅屬於這些夸克的假設。

「傳統上，科學家們認為質子或中子內部的三個主要『價夸克』（valence quarks）各自攜帶三分之一的重子數，」肯特州立大學教授、同時也在布魯克海文實驗室兼職的張步旭（Zhangbu Xu）說。

物理學家在 1970 年代首次提出了重子連接點，也稱為膠子連接點，作為描述膠子如何連接質子內部價夸克的一種方式。1996 年，在 RHIC 開始運行前四年，石溪大學和布魯克海文實驗室的理論物理學家 Dmitri Kharzeev 提出，這個連接點可能還有更基本的作用。他認為，重子數並非由價夸克攜帶，而是由連接點本身負責。

STAR 合作組現在已經開發出一種方法，利用 RHIC 產生的幾種類型的碰撞來檢驗這種可能性。

「利用在 RHIC 不同類型粒子碰撞中收集的數據，我們的結果表明，重子數並非僅由單個夸克攜帶，」張步旭補充道。「我們的發現強烈支持這樣一種觀點，即當膠子以這種特殊構型排列時，重子數更有可能由膠子攜帶和傳輸，而膠子就是將夸克黏合在一起的粒子。」

確定什麼實際攜帶重子數，其重要性遠超質子內部結構本身。在 RHIC 碰撞中，重子數守恆意味著三個夸克組成的粒子（如質子和中子）的總數在碰撞前後必須保持不變。同樣的守恆原理也適用於宇宙的尺度。

「自從大爆炸以來，質子和中子的總數隨著時間的推移從未改變，」萊斯大學的 STAR 物理學家 Nicole Lewis 說，她於 2020 年在布魯克海文實驗室擔任博士後研究員時開始了這個項目。「這種守恆的原因尚不清楚。這是宇宙的奧秘之一，與我們為何擁有比反物質更多的物質有關，」她說。

重子數守恆還有一個更實際的後果。它有助於解釋質子的極高穩定性，質子是原子核的核心組成部分，在正常情況下似乎不會衰變。

「人們認為質子的壽命比宇宙的壽命還要長，」Lewis 說。「這使得原子核能夠形成並保持穩定——這意味著我們在宇宙中互動的物質能夠存在。」

膠子攜帶重子數的可能性將推翻許多教科書中發現的標準簡化描述。在該描述中，質子具有一個重子數，平均分配給其三個主要的價夸克。因此，每個夸克攜帶三分之一的重子數，就像質子的電荷分配給其三個價夸克一樣。

但真實的質子比這種簡化模型所暗示的要複雜得多。

「在樸素的夸克模型中，質子內部有三個夸克，但沒有其他東西，」前肯特州立大學博士後、現任職於 DOE 阿貢國家實驗室的 Tommy Tsang 說。「但如果我們深入觀察內部細節，不僅有三個夸克，還有大量的膠子在相互作用，在這些夸克之間連接，還有從真空中冒出的夸克和反夸克，所以它實際上是一個非常複雜的物體。」

量子色動力學（QCD）是描述這些相互作用的理論，在解釋作用於夸克和膠子之間的強作用力方面取得了巨大成功。即便如此，受 QCD 啟發的模型在重現 RHIC 以接近光速粉碎原子核時觀察到的一些粒子模式時，通常需要額外的假設。

其中一項觀察結果特別引起了 STAR 團隊的注意。探測器反覆記錄到，在碰撞中，從側面（垂直於入射粒子束的方向）出來的重子比反重子多。

「在 STAR 探測器中，我們始終看到從碰撞中出來的重子比反重子多，而且這些重子是垂直於碰撞粒子束的方向出來的，」Tsang 說。「我們最終得到的重子比反重子多——或者說物質比反物質多——這並不令人意外，因為我們的碰撞始於物質，」他說。

這些極其高能的碰撞將巨大的能量轉化為數千種新產生的粒子。讓研究人員感到困惑的不是簡單地產生了比反重子更多的重子。而是這些過量的重子出現的位置。

如果僅由價夸克攜帶重子數，那麼要解釋遠離粒子束線的過量重子，就需要來自一個碰撞質子的所有三個價夸克在探測器中心附近停止。然後，它們必須經歷從物質轉化為能量，再變回物質的過程，產生新的、垂直於粒子束向外移動的重子。

STAR 研究人員懷疑可能有另一種解釋。

該團隊通過利用價夸克的另一種性質：電荷，找到了一種調查這個謎團的方法。科學家們比較了在不同 RHIC 原子核碰撞中測得的淨重子數，以及在相同事件中電荷的重新分配方式。

「測量垂直於碰撞方向出來的電荷，可以明確地告訴我們有多少夸克被停止並轉化為新粒子，」中國科學技術大學教授、領導學生進行數據分析和模型模擬的 Zebo Tang 說。

比較結果顯示出驚人的不匹配。研究人員觀察到的重子數量，約為基於停止夸克相關電荷所應產生的數量的兩倍。

根據基於 QCD 的模型，這意味著停止的夸克數量太少，不足以解釋出現在探測器中的所有重子。

這留下了一個重要的問題：是什麼攜帶了額外的重子數？

STAR 物理學家認為膠子提供了一種可能的答案，特別是連接質子價夸克的 Y 形膠子連接點。

膠子連接點如何攜帶重子數

提出的機制取決於碰撞原子核內的質子達到巨大能量時發生的情況。根據 STAR 團隊的說法，「膠子連接點」或「重子連接點」連接夸克，在碰撞中可能比三個夸克本身更容易被停止。

如果連接點被停止，其能量可以轉化為新產生的重子，這些重子沿垂直於粒子束的方向向外傳播。同時，先前由連接點連接的價夸克可以繼續沿著粒子束管向前移動。

理解為何如此，需要觀察質子內部結構隨著能量增加而發生的變化。

「即使質子被加速到越來越高的能量，重子連接點也一直存在，」布魯克海文實驗室的 STAR 物理學家 Prithwish Tribedy 說。「但在高能量下，質子內的膠子會分裂和增殖。」

隨著膠子數量的增加，質子的動量會分散到更多的膠子中。因此，每個單獨的膠子，包括構成連接點的膠子，都只攜帶質子總動量的一小部分。然而，價夸克則繼續攜帶質子的大部分前進運動。

結果是，當碰撞發生時，相對較慢的三叉膠子連接點應該比快速移動的夸克更容易被停止並轉化為新粒子。

根據 Tribedy 的說法，停止一個連接結構比停止三個獨立的夸克更簡單，這使得這種相互作用更有可能發生。

「在碰撞中，重子連接點被滯留，而夸克則繼續前進，」他指出。

碰撞後構建新粒子

夸克和膠子無法保持孤立，因此在碰撞後，它們會迅速與其他粒子結合。

在一個簡化的例子中，沿粒子束管繼續前進的夸克可以與一個反夸克結合，形成一個稱為介子的雙夸克粒子。同時，三叉膠子連接點可以像一個 Y 形磁鐵一樣，吸引來自真空中三個新產生的夸克，並產生一個新的重子。

實際的 RHIC 碰撞要劇烈和複雜得多。

「儘管我們從含有約 100 個質子和 100 個中子的原子核開始，但這些碰撞產生了數千種新粒子；99% 的能量轉化為新粒子，」布魯克海文實驗室物理學家 Rongrong Ma 說。

STAR 團隊發現，產生更多粒子的碰撞也顯示出比僅由夸克攜帶重子數的簡化圖景預測更多的「中度快度」（midrapidity）重子。

研究人員認為，如此多的重子從垂直於粒子束線的方向出現，提供了強有力的證據，證明重子連接點確實存在，並在傳輸重子數方面發揮著重要作用。

重新思考物質的基本性質

結果表明，質子的一個定義性量子特性可能並非僅存在於其三個價夸克中。相反，連接這些夸克的膠子結構可能是通過高能碰撞傳輸重子數的關鍵。

「我們的研究挑戰了長期以來認為重子數僅由三個夸克分配和攜帶的觀點，」Ma 說。「這種新的理解重塑了我們對物質結構的思考，並加深了我們對構成宇宙現狀最基本元素的認識。」

該研究得到了美國能源部科學辦公室、美國國家科學基金會（NSF）以及科學論文中列出的眾多國際機構和組織的支持。研究人員還使用了由 NSF 直接支持的開放科學網格（Open Science Grid），以及布魯克海文實驗室科學數據和計算設施的計算資源，還有 DOE 科學辦公室的另一個用戶設施——位於 DOE 勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）。