一项历时二十年的新物理学研究成果发现，原子内奇异物质的产生路径出乎意料地复杂。
奇异物质是任何包含被称为奇异夸克的亚原子粒子的物质。“奇异”在这里部分指的是与我们日常生活的深刻疏远：奇异物质似乎只在真正极端的环境中出现，例如高能粒子碰撞，以及可能极其致密和高压的中子星内核。 探测奇异物质出现的细节是核物理学家更广泛努力的一部分，旨在理解亚原子粒子如何形成的基本原理。 在这个特殊的案例中，一组研究人员专注于一种奇异物质，称为Λ粒子。
“这项数据是我们首次在[原子]核中研究Λ粒子，并且我们关注我们称之为强子化的过程，即产生强子的过程，”研究合著者Kawtar Hafidi说，她是阿贡国家实验室物理科学与工程副实验室主任。
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强子是由夸克组成的亚原子粒子，并受到强相互作用力的影响。 强相互作用力将夸克结合在一起，形成更大的粒子，如质子和中子，并将这些质子和中子保持在原子核内。 Λ粒子是重子，这意味着它们是由三个夸克组成的强子类型：一个上夸克、一个下夸克和一个奇异夸克。 新研究的主要作者，密西西比州立大学实验核物理学副教授Lamiaa El Fassi说，绝大多数夸克是上夸克或下夸克。 奇异夸克比它们的上夸克和下夸克兄弟更重、更稀有，它们形成的粒子也相应地远不稳定，往往会非常迅速地衰变。
奇异夸克的稀缺和难以捉摸的性质正是它们对研究人员如此有吸引力的原因，俄亥俄州立大学物理学助理教授Daniel Brandenburg说，他没有参与这项新工作。 “我们对质子和中子的朴素理解是它们包含上夸克和下夸克，”他说。 “因此，奇异夸克之所以有趣，部分原因是，至少在这种朴素的理解中，它们一开始就不存在。 你必须以某种方式创造它们。”
Λ粒子以前已经被研究过，但在新的论文中，研究人员依赖于一种称为半包容深度非弹性散射的特殊过程，在原子核内部产生它们。 这涉及到向原子核发射电子束，将能量传递给内部质子和中子中的夸克，从而刺激Λ粒子的产生。
然而，尽管付出了这些精心的努力，量子力学的神秘定律仍然规定，即使在这里，电子也不会直接与夸克相互作用。 相反，入射电子释放出“虚”光子，之所以称为虚光子，是因为它们几乎不存在：这些光子几乎在发射的同时就被夸克重新吸收。 由此产生的高能冲击可以将夸克像弹珠一样在原子核中弹射，在那里它们与其他夸克结合，产生Λ粒子和其他“复合”粒子。
这种亚原子炼金术发生在托马斯·杰斐逊国家加速器设施，早在2004年。 当时，El Fassi正在用该数据集进行单独的研究，但她最终选择在其中寻找Λ粒子的证据。 想要梳理出Λ粒子衰变的微弱信号——这些粒子的寿命太短，无法直接探测——需要超过10年的努力。 “这是一段漫长的旅程，”El Fassi说。 她和她的同事在《物理评论快报》杂志上报告了他们的发现。
通过研究衰变Λ粒子产生的粒子的能量和动量，El Fassi和她的同事可以拼凑出自由夸克在原子核中横冲直撞时究竟发生了什么。 与其他亚原子粒子的相互作用不同程度地消耗了夸克的能量，并且当它们与其他夸克结合形成强子时，它们的动量也发生了变化。
最引人注目的是，研究人员发现高能量和低能量Λ粒子的产生之间存在差异，这表明这些粒子有时以一种意想不到的方式形成。 虚拟光子有时似乎与夸克对（称为双夸克）相互作用，而不是像理论家长期以来假设的那样，虚拟光子撞击一个夸克并使其自由去寻找两个新的夸克结合。 这种双夸克可能由原子核中如此丰富的普通上夸克和下夸克组成，然后会寻找第三个夸克，最终与一个奇异夸克结合。 当这种情况发生时，结果就是一个Λ粒子。 Brandenburg说，这些发现不仅揭示了这些奇异而不寻常的粒子是如何形成的。 因为粒子的最终能量和动量包含着它们在原子核中穿行时所遭遇的信息，它们还可以帮助揭示原子核隐藏的核心中正在发生的事情。
然而，并非所有物理学家都相信这种双夸克假说反映了Λ粒子的真实形成方式。 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校核物理学教授Jen-Chieh Peng说，还有其他模型可以解释研究人员观察到的能量和动量模式，他没有参与这项新研究。 例如，他说，研究人员归因于双夸克动力学的粒子之间动量传递模式，可能实际上是一个单独夸克拾取两个夸克的结果。 这意味着最初关于诸如Λ粒子等三粒子如何形成的“逐个夸克”概念是正确的。 “他们的数据很有趣，但解释，我认为，是很牵强的，”Peng说。
更好的测量很可能在不久的将来解决这场辩论。 El Fassi说，杰斐逊实验室的电子束今天的功率是2004年的两倍，并且计划明年进行新的强子化实验。 Brandenburg说，目前正在布鲁克海文国家实验室规划的电子-离子对撞机也将是类似实验的强大新工具。
“因为我们还在建造它，”他说，“我们可以真正针对我们知道重要的测量进行微调。”