美国重离子碰撞研究显示：质子和中子或不只是“三个夸克”

美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机(RHIC)上的STAR合作组近日通过重离子碰撞数据研究提出，质子和中子等重子可能并非简单由三个价夸克构成，其重子数更可能与胶子场中的“重子连接”有关。相关成果已发表在《科学》杂志上。

在传统价夸克模型中，每个夸克被赋予1/3的重子数，三个夸克组成的质子、中子等重子因此具有+1的重子数。不过，这一模型并不是量子色动力学(QCD)的基本要求。早在20世纪70年代，理论界已提出不同解释;1996年，德米特里·哈尔泽耶夫提出模型认为，重子数并不一定由夸克本身携带，而可能集中在胶子场形成的Y形连接点上，即“重子连接”。

STAR合作组此次重点比较了重子连接模型和价夸克模型在重离子碰撞中的不同预言。研究人员分析了金原子核正面碰撞，以及近距离碰撞中由虚光子交换引发的原子核分裂过程。结果显示，随着束流能量升高，净散射重子数量确实减少，但下降速度比现有价夸克模型预测更慢。这一现象与“重子连接比价夸克更容易发生散射”的图像更为一致。

研究还比较了锆-96和铷-96原子核碰撞产生的碎片。两者核子数相同，重子数一致，但质子数不同，因此电荷不同。若重子数和电荷都主要随夸克一起移动，两类碰撞结果应可在一定能区内较好预测。然而实验显示，重子数迁移幅度明显大于电荷迁移幅度，进一步支持“夸克并非同时承载重子数和电荷”的判断。

未参与该研究的核物理学家安塞尔姆·沃森表示，这一结果与质子内部结构远比“三个价夸克”复杂的整体认识相符。他指出，质子的自旋和质量等问题早已提示，质子内部存在更丰富的动力学结构。研究团队希望未来继续分析其他碰撞实验数据，并期待电子-离子对撞机提供更精确的重子探测结果。