强力是一个谜。通过胶子，它将夸克（物质的两种基本组成部分之一）结合成每个原子中心的质子和中子。顾名思义，它是四种已知的基本力中最强的，但它只在亚原子距离范围内发挥作用。尽管强力强大且重要，但它是最难观察到其作用的力，并且其行为几乎不可能进行数学预测。
现在，长岛布鲁克海文国家实验室的一组科学家捕捉到了强力作用的新鲜、出乎意料的一瞥——如此出乎意料，以至于理论家们发明了新的模型来解释它。如果理论家们是正确的，那么这项实验是对强力场如何在短距离内波动的首次测量。这项研究结果于1月18日发表在《自然》杂志上。
“我们认为，强力场的这种局部波动以前从未被测量过，”唐爱宏说，他是布鲁克海文物理学家之一，参与了这项新研究。它将使科学家能够“从不同的角度研究强力”。
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为了观察强力，世界各国已向粒子加速器投入了数十亿美元，这些加速器在剧烈的碰撞中将原子分解。在这里，夸克和胶子在等离子体的漩涡汤中被释放极短的时间，然后在火球冷却时重新组合成新的、罕见的粒子。
这些奇异的粒子之一，称为φ介子，是这些最新令人困惑的结果的核心。与由三个夸克组成的质子和中子不同，介子由一个夸克和一个反夸克组成。夸克有六种不同的“味”，而φ介子由一对具有相同味的夸克-反夸克对组成，称为奇异夸克。
科学家们想知道，在碰撞后的瞬间，夸克-胶子汤的漩涡动量是否会导致φ介子像漩涡中的沙滩球一样随之旋转。这种效应，称为自旋极化，并非必然发生，但在其他奇异粒子中已经观察到。研究人员希望，测量粒子是否以及如何在翻滚的夸克和胶子中耦合，将为了解强力如何组装我们周围可见的物质提供无与伦比的一瞥。
这项任务绝非易事，需要自动化软件（和目光敏锐的科学家）从每次碰撞产生的数千个新粒子中精确定位φ介子。“这就像两辆垃圾车相撞，然后所有的垃圾都飞出来，而你想观察一个苹果和一根香蕉朝两个不同的方向飞去，”新罕布什尔大学的核物理学家卡尔·斯莱弗说，他没有参与这项新实验。“仅仅是为了筛选，信息量就太大了。”
在找到他们难以捉摸的目标后，科学家们看到了完全出乎意料的事情。φ介子确实在随着夸克-胶子汤旋转，但方式与理论预测相去甚远。
以下是这些预测的工作原理：φ介子可以沿三个方向之一旋转。如果它们的自旋不受该漩涡粒子池的影响，那么每个自旋方向都应同样常见——每个方向出现大约三分之一的时间。即使是与三分之一几率的微小偏差也表明φ介子的自旋受到了周围旋转动量的影响。
研究人员看到的却是与三分之一概率的巨大偏差，比传统模型可以解释的大1000倍。通常的变量，例如来自电磁场的自旋改变干扰，根本无法解释如此大的差异。该团队在2017年宣布了他们的初步结果，这让理论家们感到困惑。
“我们真的在挠头，说，‘到底是怎么回事？’”加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的理论物理学家王新年说，他没有参与最初的布鲁克海文实验，但帮助同行评审了报告结果的论文。“我当时不相信他们：‘不，这令人难以置信；这太大了，’”他回忆道。
但是同样持怀疑态度的布鲁克海文团队一次又一次地重新运行分析，每次都得到相同的看似不可能的结果。“然后我们意识到这可能是我们理论家不理解的东西，”王说。
理论家们错过了一些重要的东西：电磁场可能不足以影响φ介子的自旋，但是强力产生的场呢？场是由运动中的带电粒子产生的。正如电磁场来自运动的电子一样，强场来自运动的夸克和胶子。先前的模型基本上忽略了强场的可能性，因为它们的影响通常是无关紧要的。即使在典型的亚原子距离范围内，夸克和胶子的随机运动也会产生这种场，但会相互抵消，从而对整个系统没有影响。
但是在超微小的尺度上——想想小于质子无限小的跨度的距离——所有这些随机运动的累积细节实际上可能很重要。这就是王和他的同事们在最近的预印本研究中提出的：φ介子本身的运动会产生一个强力场，其微小的波动正在影响介子的自旋极化。
“目前没有其他理论可以解释这些测量结果，”贝丹加达斯·莫汉蒂说，他是布鲁克海文实验的研究人员之一，也是印度国家科学教育与研究所的物理学家。
如果这个想法是正确的，那么布鲁克海文实验代表了物理学家首次观察到强力场中的这种波动。“这是全新的。我认为其后果可能是深远的，”王说。
首先，“它告诉你更多、更多的信息”，关于夸克-胶子火球中强相互作用正在发生的事情，中国科学技术大学的理论物理学家王群说，他是王新年最近的预印本论文的合著者之一。在大多数方面，理解这些相互作用是当今粒子加速器实验最紧迫的目标。
为了检验新的假设，布鲁克海文科学家计划用另一种介子（称为J/ψ介子）重新进行实验，J/ψ介子由一对不同味的夸克-反夸克对组成。如果φ介子可以添加到强力场中，那么它们的“表亲”也应该如此——J/ψ介子的自旋极化应该受到由此产生的波动的类似影响。
尽管处理的是亚原子物理学，但这样的工作绝非易事。在万亿摄氏度的等离子体漩涡中追踪短暂粒子的最微小运动，就像仅从灰烬中重建最短暂、最明亮的蜡烛一样。“你必须体会到这种挑战，”莫汉蒂说。任何人都会尝试去做这件事，这证明了它可能带来的基本真理：更好地了解将我们所有人结合在一起的力量。