曹俊：奇异夸克研究为何迷茫

曹俊：奇异夸克研究为何迷茫

曹俊  郭万磊

编者按：假设上千上万的大量夸克，像大量原子排列成晶体那样由强力组成奇异核素，或奇异夸克星、中子星、质子星等超紧密的奇异物质体，有像威腾说的绝对稳定不变的情况吗？由此江门中微子实验能证实威腾猜想吗？因为把大量的人集中生活在一起，也会自组织产生像国家、民族、政权等结构现象。况且彭罗斯的《宇宙的轮回》一书认为，共形循环宇宙学挑明，奇异物质紧密体有坍塌到“零锥”的特征。加来道雄的《平行宇宙》一书认为，超对称伴子有类似兰德尔的额外维或膜的平行宇宙。但威腾、彭罗斯、加来道雄等，仍有类似欧几里德几何空间无限平移推理的逻辑痕迹。其实“零锥”和熵的平移，类似庞加莱猜想外定理“空心圆球不撕破，能把内表面翻转成外表面”的证明有两类，一是点外共形像两个圆锥体顶对顶的翻转，一是点内和点外共形像一个空心圆锥体放到另一个空心圆锥体内部顶对顶的翻转。这里“零锥”的点移动，可以是一维的弦或虫洞。量子交点在其中，大宇宙和小宇宙共形循环平行逻辑，就如阴阳、有无、膜弦共生逻辑的统一。因为三旋环量子自旋编码，显物质对应避错码，暗物质对应冗余码，旋束区分去悖论。

为什么不能有两个夸克组成的粒子，或者一百个、一万个夸克组成材料呢？老实说，我们迄今也没搞清楚。传统的强相互作用粒子只有重子和介子，最近发现了可能为四夸克态和五夸克态的粒子，对胶子球和奇异夸克物质的寻找仍在继续。

在刘慈欣的科幻小说《三体》中，三体人其实从未与人类谋面。几百年内，三体人赖以威慑、奴役地球人的，是两颗质子大小的“智子”，和一个三点五米长的“水滴”探测器。智子是间谍，除传话外，还负责扰乱高能加速器，锁死人类的基础科学研究。“水滴”则充当杀手，它依靠简单的撞击，在30分钟内歼灭了人类的太空武装力量──二千艘恒星级战舰及百万太空军。“水滴不像眼泪那样脆弱，相反，它的强度比太阳系中最坚固的物质还要高百倍，这个世界中的所有物质在它面前都像纸片般脆弱，它可以像子弹穿透奶酪那样穿过地球，表面不受丝毫损伤”。

在书中，它是用“强相互作用力材料”制造的。自然界共有四种力：强力、电磁力、弱力、引力。到了微观层面，“力”的概念不再像日常生活中碰到的力那样，而是表现为粒子跟粒子之间的“相互作用”，因此又称为强相互作用、电磁相互作用等等。这个世界中的所有物质，其实都是电磁力维系的，而强力的强度是电磁力的一百倍。靠强力来维系的材料，自然比现在最坚固的物质还要坚固高百倍。

那么，这种“强相互作用力材料”真的存在吗？如果把原子比做构建物质世界的砖块，我们的世界就是由100多种不同的“砖块”搭建而成。2016年“国际纯粹与应用化学联合会”将新合成的第113、115、117、118号化学元素，分别以日本、莫斯科、田纳西和俄罗斯物理学家欧甘尼辛命名。原子其实是块“空心砖”。它由更小的砖块──原子核和核外电子构成。原子核的直径仅为原子的几万分之一，绝大部分空间都是空的。原子核又由更小的质子和中子组成。最重的118号元素的原子核就包含了118个质子和176个中子。从强力的角度看，质子和中子几乎是一样的，因此统称“核子”。如果压缩掉电子与核子核之间的虚空，比如由恒星内核塌缩而形成的中子星，密度就高得惊人。将地球上的所有海水压缩成这种物质，其大小刚够填满北京的“水立方”游泳馆，而渤海的海水则刚好可以装进观音的净瓶。

核子也不是最小的砖块，它由更小的“夸克”组成。夸克共有6种，再加上电子、缪子、陶子，以及对应的三种中微子，这12种粒子（还有它们的反粒子）才是物质世界最小的“砖块”。构成物质世界的最小砖块由6种夸克和6种轻子组成，它们的质量由希格斯粒子（H）产生，之间的相互作用由玻色子（γ,g,Z,W）传递。

只有夸克才参与强相互作用。强力的作用范围很短，只发生在原子核内部。把多个核子束缚成原子核的核力，也不是真正的强力，而是强力的剩余作用，就像分子之间的范德瓦尔力是电磁力的剩余作用一样。我们已知的所有材料都由原子组成，而原子的尺度远远超过强力的作用范围。原子核和核外电子通过电磁力维系，因此材料强度都由电磁力决定。要形成“强相互作用力材料”，首先夸克之间要靠得足够近，进入强力的力程范围，不能被电子分割成遥远的“小岛”。中子星倒是满足这个条件。不过，中子星的物质形态仍然是一个个的中子，并不是“强相互作用力材料”。如果不是极大的引力挤压，它马上会烟消云散。

除了质子和中子，强相互作用还能形成哪些东西？由强相互作用形成的粒子，称为“强子”，包括两类，一类由三个夸克（或者三个反夸克）组成，称为“重子”，例如质子和中子；另一类由一对正反夸克组成，称为“介子”。重子中，只有质子和呆在核内的中子是稳定的，其它都不能稳定存在，在加速器或者宇宙线的撞击中偶然产生后，转瞬即逝。而所有介子都不能稳定存在。那么问题来了，为什么只有这两类呢？我们有一个很好的描述强力的理论，称为“量子色动力学”，它基于量子场论，是关于红、绿、蓝三种“色”量子数的“动力学”理论。

原则上，它可以精确预言夸克能组成什么样的粒子，精确预言“强相互作用力材料”是否存在，性质如何。在能量很高的时候，它确实能够做出准确预言，并得到了大量实验证实。但不幸的是，将夸克束缚成粒子的过程相对而言能量较低，量子色动力学很难求解。同时，我们迄今也不理解为什么带“色”的粒子不能单独存在──组成一个粒子的夸克，其“色”必须中和，称为“色禁闭”。

正是因为存在这些不解之谜，我们现在还不能准确预言强力能形成哪些粒子和物质，需要更多的实验数据、发展新的计算方法。尽管不能精确求解量子色动力学，人们还是可以通过一些近似来建立模型。有些模型就预言了重子和介子以外的粒子。几十年来，对这样的新粒子的寻找就在真真假假的实验信号中磕磕绊绊地进行。2004年的国际高能物理大会上，据传为“五夸克态”的Theta粒子被否定，总结发言的英国理论物理学家Frank Close将二十多位歌颂“五夸克态”的理论家嘲笑了一通。然而，2013年北京正负电子对撞机上发现了一个既不属于重子，也不属于介子的新粒子Zc(3900)，很可能是一个四夸克态，被美国物理学会杂志《物理》评为当年十一项重大成果之首。2015年，清华大学利用欧洲大型强子对撞机发现了一个新粒子，被认为是五夸克态。还有一种可能存在的新粒子，由传递强力的胶子组成，称为“胶子球”，仍然没有找到。这些新粒子告诉我们，强力也可以将超过三个的夸克束缚在一起。如果像大量原子排列形成晶体那样，大量夸克由强力直接束缚成材料，那就是我们寻找的“强相互作用力材料”。

正如前文所说的，量子色动力学很难求解，只能依靠模型来预言是否存在新粒子或者“强相互作用力材料”，而模型往往不那么可靠，又需要实验来验证或者调节参数。上世纪70年代初，有科学家认为，当物质密度足够高时，组成核子的“上夸克”和“下夸克”可以部分转换成另一种夸克──“奇异夸克”，形成“奇异夸克物质”，由数量大致相同的上夸克、下夸克、奇异夸克以及少量的电子组成，可能是能量更低、因而更稳定的状态。就像铁元素可以是一个原子、可以组成一块铁板、也可以构成一颗恒星的星核一样，奇异夸克物质可能跟核子差不多重，称为“奇异子”；也可能由上千上万个夸克排列组成，称为“奇异核素”（nuclearite）；甚至可以比太阳还重，称为“奇异夸克星”。

1984年，著名理论物理学家爱德·华威腾进一步证明，在很大的参数空间内奇异夸克物质绝对稳定，也就是说，理论上它很可能是存在的。这就是著名的Witten-Bodmer猜想，相关论文被引用了1900多次。Farhi和Jaffe也得到了相似结论，并给出奇异夸克物质的密度约为每立方厘米4亿吨。同年，诺贝尔奖获得者格拉肖与合作者提出奇异夸克物质可能是一种新的宇宙辐射形式。 假如奇异夸克物质确实存在，也只有极其剧烈的过程才可能产生，比如宇宙大爆炸、超新星爆发、中子星的碰撞、或者超高能宇宙线与地球的相互作用。科学家还尝试将重离子加速到极高能量，通过碰撞人工产生奇异子。

奇异夸克物质远远重于普通原子核，因此有很多独特的性质，可以用来寻找它的踪迹。国际空间站上的阿尔法磁谱仪，利用磁场作用下的运动轨迹寻找过单个的奇异子。奇异星可能由超新星爆发直接产生，也可能由中子星通过相变产生。有研究认为，奇异子可以存在，中子星最终都会转变为奇异星。但是目前的研究还不能证明奇异星的存在。奇异核素拥有比奇异子更强的穿透能力，质量重于0.1克的奇异核素能够轻松地穿透地球。在穿过岩石等普通物质时，奇异核素会与其径迹上的原子发生弹性碰撞，形成高温等离子体激波，温度可达1万度以上。这样奇异核素就会在普通物质中留下烧蚀径迹并发出光。如果奇异核素穿过的物质是地球大气或是透明的水，这些光就会被我们的肉眼或是实验仪器观测到。奇异核素穿过地球大气时会产生许多人期望的流星现象，而且这颗“流星”的速度要比普通流星更快。质量超过20克的奇异核素在夜空中会产生超过最亮的天狼星的亮度。

位于地中海的ANTARES中微子实验寻找奇异核素穿过深海时产生的光，不过他们找到的疑似事例大部分都是由海洋发光生物造成的。基于烧蚀径迹这一特点，意大利格兰萨索国家实验室的MACRO实验和玻利维亚5千米高原上的SLIM实验也在寻找奇异核素。MACRO经过10多年的寻找并没有发现奇异核素。由于可观测到的奇异核素数量与探测时间成正比，于是科学家们找来了5亿年的云母矿石，仍然没有发现烧蚀径迹。当质量为1吨的奇异核素（其半径仅为0.01毫米）穿过地球时会诱发地震并释放相当于5万吨TNT当量的核武器爆炸时产生的能量。美国在实施阿波罗计划时在月球上放置的5个地震观测站也被用来寻找奇异核素。也有人提出1908年通古斯大爆炸可能是由更重的奇异核素导致的。不同实验对奇异核素的搜寻上限，以及江门中微子实验预期的灵敏度正在建设中的江门中微子实验将来也可以利用2万吨液体闪烁体来寻找奇异核素。也许奇异夸克物质根本就不存在。不过从现有的理论模型看，它是可以有的。万一真的存在呢？

（郭万磊：中科院高能物理研究所副研究员；中科院理论物理所博士后，高能物理研究所邢志忠博导的博士研究生；1997-~2001南京大学, 理学学士）