中外科研人員合作觀測到核子內部奇特結構

　　中國科學技術大學與美國肯特州立大學、布魯克海文國家實驗室等單位在STAR國際實驗組中發揮主導作用，通過高能原子核-原子核對撞實驗中凈重子數和凈電荷數的精確測量發現核子內部存在一種奇特結構，可能顛覆人們對核子內部結構的根本認識。北京時間8月14日凌晨，研究結果發表于《科學》。

　　核子是組成物質世界的基本粒子，宇宙中可見物質世界99%以上的質量由核子攜帶，理解核子內部結構對理解物質世界的基本組成和基本相互作用具有極其重要的意義。人們普遍認為核子由夸克（含反夸克）和膠子組成。夸克攜帶+2/3或-1/3電子電荷和1/3重子數，反夸克攜帶的電荷和重子數與夸克相反，而膠子既不攜帶電荷也不攜帶重子數。中國科學技術大學重離子碰撞物理課題組教授唐澤波及其合作者通過精確的實驗測量發現核子內部需要一種攜帶重子數但不攜帶電荷和色荷的基本結構，對上述用來描述核子內部結構的樸素夸克模型提出了重大挑戰。

　　核子內部奇特結構示意圖。陳磊制圖

　　該項研究從兩個方面得到了自洽的結果。實驗組首先測量了高速運動的原子核中核子被減速的程度。高速運動的核子被減速的程度與核子內部的基本結構及其相互作用密切相關。STAR國際實驗組對高能原子核-原子核碰撞中核子被減速的程度進行了精確的測量，并進一步開展了光子-原子核碰撞中核子被減速程度的測量。實驗結果與基于樸素夸克模型核子內部結構的理論計算結果存在很大差異，而與基于三個膠子相連組成的“Y”型膠子結的理論計算吻合。這種膠子結與單個膠子最大的差異是它攜帶一個單位的重子數，可以輸運重子數，有利于重子的減速。

　　同時，實驗組精確測量了被減速的重子數與電荷數的比值。在樸素夸克模型中，只有夸克攜帶重子數，通過測量被減速的重子的總數可以得到被減速的夸克總數，進而得到預期的電荷數。實驗測得的電荷數只有預期的一半，表明核子中除了夸克和膠子，還需要一種攜帶重子數但是不攜帶電荷的基本結構。傳統核子基本組分夸克和膠子均不具備上述特征，而上述“Y”型膠子結具備這一特征。

　　上述兩類實驗研究結果均不支持樸素夸克模型的核子內部結構圖像，表明核子中存在一種奇特結構。目前膠子結是唯一可以自洽地描述上述系統實驗研究結果的理論。研究人員認為，該項研究或開啟粒子物理的新篇章。

　　相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.ads5962