四夸克还是三角奇点，科学家是如何区分的？答案在这里

　　前苏联物理学家列夫·朗道几十年前的预测竟成真？
　　如何研究强力？
　　上世纪五十年代，前苏联物理学家列夫·朗道（Lev Landau）首次提出了＂三角奇点＂（triangle singularity）这一怪异现象的假设。
　　高能量碰撞产生如希格斯玻色子（Higgs boson）这样的新粒子的抽象图。
　　（图源：《太空的一切》（All About Space）杂志经由盖蒂图片社（Getty Images）提供。）
　　物理学家筛选旧的粒子加速器数据后，发现了一种从未见过的现象，非常难以捕捉到，也就是所谓的三角奇点。
　　上世纪五十年代，前苏联物理学家列夫·朗道首次设想出这一现象。三角奇点是指一种罕见的亚原子过程，在这过程中粒子会在飞离彼此前交换＂身份＂。
　　在这种情况下，两个叫做K中介子（kaons）的粒子形成了三角形中的两个点，而这两粒子交换＂身份＂后成为的粒子，则形成了三角形的第三个点。
　　研究的共同作者，波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究院的伯恩哈德·凯泽（Bernhard Ketzer）在一份发言中说道：＂在此过程中所涉及的粒子，交换了夸克并改变其‘身份’。＂
　　因为描述亚原子粒子交互作用的数学方法都失效了，所以就称其为奇点。
　　如果这种非常怪异的粒子＂身份＂交换真的存在，那么就能帮助物理学家理解将原子核内部绑在一起的强力（ the strong force）。
　　＂罗盘＂实验的进展
　　2015年，在瑞士欧洲核子研究组织（CERN）研究粒子碰撞的物理学家认为，他们已经捕捉到这种粒子短暂奇异集合的瞬间，并称这种粒子为四夸克（tetraquark）。但是有新的研究却支持一种完全不同、甚至更为怪异的解释：一对粒子并没有形成新的集合，反而在飞离前交换了＂身份＂。这种＂身份＂交换叫做三角奇点，意想不到的是，他们的这项试验可能首次证明了这一过程存在。
　　CERN的结构和光谱学普通μ介子质子工具（Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy，简称COMPASS，＂罗盘＂）实验，对强力进行了研究。强力的作用（让质子和中子黏在一起）非常简单，可强力本身却复杂得让人头晕目眩，曾有过一段时期，物理学家很难完全描述强力在所有这些交互作用中的行为。
　　所以＂罗盘＂实验中的科学家为了理解强力，就用超级质子同步回旋加速器（the Super Proton Synchrotron）中的超高级能量，把聚在一起的粒子粉碎了。随后科学家就能观测结果。
　　实验先从介子（pion）开始，介子是由夸克和反夸克这两个基本建构单元组成。强力让介子内的夸克和反夸克黏在一起。不像其他基本自然力随距离越远而越弱，强力随着夸克相隔越远，反而更强（打个比方，介子中的夸克就像让橡皮筋绑着，越把夸克分开就得越拉扯橡皮筋，弹力也就越大）。
　　随后，科学家把介子加速到接近光速后，再让其撞入氢原子核中。撞击打破了夸克之间的强力，抑制着的能量全都释放了出来。＂转变成了物质，又形成了新的粒子。＂凯泽说道，＂因此，像这样的实验就能给我们提供这种强烈交互作用的重要信息。＂
　　有四种基本自然力，分别是：重力，是最弱的力（左上角的图）；电磁力，作用在较小的层面上；弱核子力，让原子中的核子从质子转化成中子，并在转化过程中释放贝塔射线；强力，固定住原子核中的核子，以及核子自身中的夸克。
　　（图源：马克·加利克(MARK GARLICK)/科学图片库(SCIENCE PHOTO LIBRARY)经由盖蒂图片社提供）
　　四个夸克还是一个三角？
　　回到2015年，＂罗盘＂实验的科学家创纪录地分析了5000万份这样的碰撞后，发现了一个非常有趣的信号。这些碰撞发生后，有新粒子出现的情况不到1%。科学家将这种新粒子称为＂a1(1420)＂，最初以为它是一种新的四个夸克的组合——四夸克。然而，这种四夸克不稳定，很快就蜕变成了其他东西。
　　通常，夸克以三个一组出现（组成质子和中子），或是成对出现（组成介子），所以四夸克是个重大发现，四个夸克的组合的确很难找到。
　　但是，八月份在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上发表的一篇新分析报告，则提出了一种更为怪异的解释。
　　所有这些介子的碰撞，并没有暂时形成新的四夸克，而是产生了某种意想不到的东西：传说中的三角奇点。
　　终于谈到三角奇点了
　　下面的说法，来自写出这份新分析报告的科学家。介子撞入氢原子后分裂开来，和所有强力的能量，共同产生了一大群新粒子。其中有K中介子，这仍然是另一种夸克-反夸克成对组合。非常罕见的是，两个K中介子产生后，开始各奔东西。最终，那些K中介子会蜕变成其他更稳定的粒子。但是在这之前，那些K中介子会互相交换彼此的一个夸克，在这过程中改变自身。
　　正是两个K中介子间的短暂夸克交换，模拟出了四夸克的信号。
　　凯泽说道：＂在此过程中所涉及的粒子，交换了夸克并改变其‘身份’，随后产生的信号看起来和来自四夸克的信号一模一样。＂凯泽也是跨学科研究领取＂物质组成和基本相互作用＂组（Transdisciplinary Research Area＂Building Blocks of Matter and Fundamental Interactions＂）的成员 (TRA Matter)。
　　如果把初始撞击后粒子的各自路线画出来，就能看到这对K中介子形成了两个支点，交换后的粒子在两支点中间形成了第三点，整体看起来就是个三角形，这就是三角奇点的名称由来。
　　物理学家预测三角奇点的存在，已有半个多世纪，而这次实验是所有实验中，最接近实际观察三角奇点的一次。但这仍然不是件轻而易举的事情。过程涉及三角奇点的新模型，其参数比四夸克模型的参数更少，对数据也更好拟合。但是这不是决定性的，因为原来的四夸克模型仍能解释数据。
　　所以这还将是个非常有趣的构想。如果这个构想靠谱，就将成为探测强核力的有力工具，因为三角奇点的出现，源于我们对强力理解的预测，而此预测还没有得到充分检验。
　　BY: Paul Sutter
　　FY: redbeard305050
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