互动科普

对奇异物质的探索

Henry J．Crawford ，Carsten H．Greiner

在原子核与中子星之间延伸着一片没有核物质的荒漠。奇异夸克物质能充填它们之间的空隙吗?

一些年来，物理学家一直喜欢玩弄一个特别有趣的谜。质子和中子既可以容易地形成微小的物质聚集体(不同的原子核)又可以形成很巨大的物质块(中子星)。然而在不可见的原子核和超密中子星(实际上是一个周长约为11公里或更大的巨大原予核)之间，还没有任何核物质形态被检测出。这儿发生了什么呢？难道我们所熟知的物理定律不允许核粒子把它们自己组合成能够充填在这一“中闻地带”的物体吗?还是这一核荒漠实际上是由研究人员未能发现的、新的、在结构上不同于普通核物质的物质形态所充填的呢?

事实上，体现了我们对物理学现行认识的理论，也就是标准模型(Standard Model)，似乎是与可能散布于荒漠中的一些新的核物质形态的存在相一致的。而如果标准模型是正确的．那么对这种物质的研究就可能解决一个重大的宇宙学之谜：据认为占可观测宇宙百分之九十的“短缺”物质的性质。这将是一个值得给予奖金的胜利。因此，在布鲁克海文国家实验室的一项实验中，我们与来自其他研究机构的许多合作者们一道，正在寻找可能填充这一空白的核物质形态存在的证据。

根据标准模型，所有物质都由夸克组成。这类粒子存在六种变体，组成三对组合：“上”和“下”，“奇”和“粲”，“顶”和“底”(或“真理”和“美丽”)。除了一种(顶夸克)外其它全都被探测到了。只有两种夸克进入了我们的日常生活：上和下。

一个质子由两个上夸克(每个上夸克带有＋2/3分数电荷)和一个下夸克(它带有-1/3电荷)组成。两个下夸克(-1/3，-1/3)和一个上夸克(＋2/3)组成中子。其它的变体，即气味，迄今为止还只在短寿命粒子中发现过。最新的理论计算提出了下一可能性，那就是两种在普通物质中发现的夸克味与第三种

夸克味(奇夸克)相结合可以形成稳定的实体。这种奇异夸克物质可能易于将本身集合成大小介于原子核与中子星之间的实体。

为了弄清奇异夸克物质怎么会形成，我们必须更深入地研究标准模型。质子、中子和其它由夸克组成的粒子被称作强予(hadrons，来自希腊文hadros，强壮之意)。为简明起见，物理学家常常将强子模拟成夸克可以在其中自由漫游但又不能从中逃逸的微小的“囊”。所有已知的强子粒子不是含有三个夸克的囊——重子——就是含有一个夸克和一个反夸克的囊——介子。(象所有基本粒子一样．每一种夸克都有一种反物质对应物。)

囊中的夸克可以通过弱力的作用而改变其身份，弱力是引起原子棱β衰变的力。弱力能将下夸克变成上夸克。当弱力将中子中的一个下夸克变成一个上夸克时，中子(上夸克，下夸克，下夸克，即udd)就会变成质子(上夸克，上夸克，下夸克，即uud)，在此过程中还放出一个电子和一个反中微子。弱力还可以将奇夸克变成下夸克。这种效应就解释清了为什么含有奇夸克的粒子，例如A子(含有一个上夸克，一个下夸克和一个奇夸克的重子)或K子(由一个反奇夸克和一个上夸克或一个下夸克配对组成的介子)，都是不稳定的。

我们正在接近得到这一奖金。我们通过提出另一个问题来做到这点。有没有可能由超过三个夸克组成的稳定囊呢?虽然迄今为止还没有人探测到这种囊，但是理论工作者可以认为没有任何清楚的理由来禁止这种物体的存在。清楚的是如果它们存在的话，就一定不只是仅仅由上夸克和下夸克来构成它们。为了弄清这一点，我们来看一下氘——重氢的原子核，它的组分是一个质子和一个中子，即六个夸克。我们从实验室中得知尽管在氘中质子和中子是结合在一起的，但是组成这些粒子的六个夸克仍然清楚地组合成两个三夸克囊：质子(uud)囊和中子(udd)囊。下述情况是不可能存在的，即是一个由所有这六个夸克组成的单独囊会具有比氘的能量还要低的能量，因为如果这样的话那些组成氘的夸克就会自发地重新把它们聚合成上述状态。这一论据可以容易地推广到其它原子核从而得出如下结论，那就是如果由超过三个上夸克和下夸克组成的多夸克囊是稳定的，那么我们所知道的物质就不可能存在——我们也不可能存在。

但是如果奇夸克加入到上夸克和下夸克的组合物中又会发生什么事呢?这样的奇异夸克物质可能是由在一个囊中聚集的、大约相等数目的上、和奇夸克组成。1971年伊利诺斯大学的Arnold R. Bodmer是第一个考虑这种新物质形态的研究者。他认为，这种比普通原子核压缩得更加厉害得多的奇异的多夸克聚集体可以象恒星内部的长寿命奇待核物质那样存在。

麻省理工学院的Sui Chin和Arthur K．Kerman以及明尼苏达大学的Larry D．McLeran和斯坦大学的James D．Bjorken(后二者与前二者的研究是独立进行的)对这个问题进行了研究。他们推导出某些一般的论据来解释为什么奇异夸克物质应该是稳定的。象环绕原子核的电子那样，在一个强子囊中的夸克也要占据不同的能级，即量子态。根据泡利不相容原理(它是关于没有两个物体可以同时占据同一空间的阿基米德原理的量子类似原理)，每个量子态只能被一个夸克占据。奇异夸克物质很稳定的—个原因可能是由于没有空的能态来接受由奇夸克弱衰变产生的下夸克，因为低能下夸克态都早已被充填满了。泡利不相容原理解释了普遍原子核的稳定性：一个自由中子大约在11分钟内衰变成一个质子，但是在稳定原子核中，中子实际上可以永远存在

下去。原因在于如果中子在原子核内要衰变的话，就不会有空的量子态来接受新生成的质子。具有接受质子的空能态的原子核是放射性的并且要发生β衰变。

但是又如何来解释奇异夸克物质能填满在原子核与中子星之间的粒度范围呢?核物质是由大约相等数目的带一个单位电荷的质子和根本不带电荷的中子组成。在原子核中相同电荷质子的静电排斥力随着质子数的增加而增大。静电排斥力最终要超过把原子核束缚在一起的强力，这就是为什么稳定原子的大小有一个极限的原因。

约束奇异物质的夸克囊情况显然不同。量子力学定律要求，在平衡状态下，多夸克囊中的三个夸克味分享有相等的有效能。奇夸克比上夸克或下夸克的质量都要大，所以在一块奇异夸克物质中奇夸克的数目要稍微少些(质量和能量是等效的)。因此，各上夸克所带的电荷，也就是一个电子的＋2/3电荷就大部分(而不是全部)被下夸克和奇夸克所带的-1/3电荷的总和所抵消了。结果，奇异夸克物质就仅仅带有一点点正电荷并且由于正电荷与负电荷接近平衡，因此它应不受能影响普通核物质那样的体积限制。所以就有可能存在巨大的稳定奇异夸克物质块。

如果是这样的话，稳定奇异夸克物质的存在就可以解决一个在天体物理学中长期存在的谜。通过对星系的仔细观测，天体物理学家们得出如下结论，那就是对于宇宙来说存在着比我们眼睛所看到的要多得多的东西。所有可见恒星和明亮的星系尘埃的总引力场的强度并不足以引起各星系的运动或星系中单个恒星的运动，计算结果表明短缺物质的总量很大；宇宙中至少有百分之八十的物质显然是寒冷而黑暗的，不能用任何射电望远镜或光学望远镜检测到。

1984年普林斯顿大学的Edward Witten提出了一个饶有兴趣的可能性，即短缺物质——也就是指宇宙中的大多数物质——是奇异夸克物质。Witten的模型始于宇宙的很早期，也就是在大爆炸开始之后不久但又在轻原子核形成之前的时候。那时宇宙是始此的炽热与稠密以致于夸克可以自由运动。Witten认为奇异夸克物质是在大爆炸之后的最初10-6秒期间的夸克形成的。这些奇异夸克物质块每块的直径为10-7 厘米到10厘米。每块由1033 个到1042个夸克组成，每块的重量从109克到1018 克。一个象棒球那样大的奇异物质块可以重达一兆(万亿)吨以上。但是由于这种物质块如此之小，因此它们散射的光很少并且几乎不可能被直接观测到。

通过采用用于预测普通强子质量的计算方法，麻省理工学院的Edward H Farhi和Robert L. Jaffe发现，奇异夸克物质块，即strangelets(暂译为“小怪”——校注)，其稳定的粒度范围可能比Witten所推测的要大得多。如果Farhi和Jaffe是对的，那么奇异夸克物质就可以填满广大的核荒漠。这种推测

的情景并不会被任何已知的物理学原理所排斥。

然而，细心的读者可能会担心比普通原子核要轻的“小怪”的存在会引起潜在的灾难性后果：普通物质会衰变成这种“小怪”。Farhi和Jaffe向我们保证，尽管这种过程可能发生，但是其几率十分小，以至于它在比现在的宇宙年龄大许多倍的时间范围内都不可能发生。

如果奇异夸克物质的确可以解释宇宙质量的百分之八十，那么偶尔有一块奇异夸克物质落到地球上似乎是合乎逻辑的。日内瓦附近CERN(欧洲粒子物理实验室)的Alvaro De Rujula以及哈佛大学的Sheldon L. Glashow已计算出这种奇异物质块与地球相撞的效应。他们确定，一个少于约1014个夸克组成的“小怪”会因地球而减速并被挡住。这种相撞可能呈现为不寻常的陨石事件，或具有特殊波形的地震或在古老云母中形成独特的粒子径迹。由多于1023个夸克组成的奇异物质块可能动量太大而不能被相撞所挡住。它们可能真正是穿过地球。由Witten模型所预言的这样大的奇异物质块可能根本就探测不到。

在大小上由少于约107个夸克组成的奇异物质块可能会从更大的聚集体中脱落出来然后嵌入流星物质或地壳物质中，在这些物质中它们很可能象典型的原子核那样行为。在美因茨大学，Klaus Lutzenkirchen和他的德国和以色列同事最近已开始寻找陨石中的小“小怪”。LÜtzenkirchen已想出一种将他的陨石筛选出“小怪”的巧妙方法。他的方法依赖于如下情况，即一些“小怪”要比普通原子核重得多。他将一束铀原子核射击陨石然后找出直接向后反弹的铀核，好象这些铀核击中一堵砖墙一样。初等物理学能证明这种情况只能发生在靶的质量大于铀核时。迄今为止这些实验和其它一些实验并没有为稳定的奇异物质的存在提供任何证据，尽管这些实验给奇异物质的质量范围提供了某些限制。

宇宙学观测结果也被某些研究人员用来对宇宙中奇异夸克物质的数量提供限制。如果奇异物质块是在大爆炸过程中形成的，那么它们就会吸收中子，从而降低自由中子对质子的比值。这种效应又会使同位素氦4的产率降低。中子的被吸收率(因而也有氦的产率)对所有存在的奇异物质块的总表面积很敏感。对于固定不变的物质量来说，表面积取决于各粒子的大小和数目：许多小碎屑的总表面积远远大于少数大碎块的表面积，即使这两部分集合体具有相同的质量也是这样。固此，单个的奇异物质块越小(也就是数目越多)，中子的总吸收率也就越大。

丹麦奥胡斯大学的K. Riisager和J．Madsen将上述论据进行了定量化。他们发现如果原始夸克块的存在要同计算出的短缺暗物质量和观测到的轻同位素丰度相符的话，它们就必须是由超过1023个夸克组成的。

奇异物质还可以在作为超新星残骸的超密中子星内发现。如果一滴奇异物质落到中子星上，它就会象狼吞虎咽吞食中子的病毒一样侵袭中子星。贪食的原因在于电中性的中子并不排斥带有很少正电荷的这滴奇异物质的接近；所以中子的夸克就被奇异物质所吸收。芝加哥大学的Angela V. Olinto证明了，一滴奇异物质可以消耗完一颗中子星，在不到一分钟的时间内将其从中子星转化为一颗奇异星。奇异星由于受本身的固有夸克力的束缚比中子星更为致密。

就象将双臂收缩的旋转滑冰者一样，比中子星更小的奇异星，其自转将比中子星更快，而且这一自转速率是可以检测出的。如果观测到—颗半毫秒脉冲星，就可以作为奇异星存在的强有力证据，因为普通的中子星不可能这样快地自转。天体物理学家们正在热心地寻找这类天体。

在没有快速转动的奇异星的情况下，就不能运用现行的观测天文学的方法来检测奇异物质。核物理学家和粒子物理学家最近已开始利用高能粒子加速器来寻找有关奇异夸克物质存在的更直接的证据。通过使两个重原子核在能得到的最高能量处迎头相撞，实验人员这时就能处于在实验室中模拟早期

宇宙的许多条件的幸运位置。这种“小型大爆炸”对形成夸克在高温、高压下令人激动和意想不到的重排提供了一个巧妙的手段[见Walter Greiner和Horst Stckoer所著“炽热核物质”一文；《科学》1985年第五期；以及Hans Gutbrod和Horst StÖcker所著“核状态方程”一文；《科学》1992年第三期]。

形成这种小型大爆炸需要最重的核在可能达到的最高能量处相撞。当重金属，例如金和铅彼此相撞时，就会激发起能加热核物质的冲击渡。这些核的能量导致了火球的产生和一大批奇特强子的形成。

在巨大能量下相撞的两个重核可以看成是两个液滴。在碰撞时液体的温度猛增。在此情况下，液体就经历了一次相变并变成为一种由所有强子粒子组成的气体。如果碰撞的能量足够高，单个强子囊就会破裂，使夸克能自由漫游。这时，核物质就会经历第二次相变，变成为自由夸克一胶子等离子体，它类似于紧接在大爆炸之后的宇宙状态。(胶子是在正常条件下将夸克束缚在一起的粒子。)这种等离子体由初始原子核的上、下夸克加上相等数目的、直接由碰撞能形成的奇夸克和反奇夸克所组成。

实际上在刚好紧跟着大爆炸的那一瞬间，这种夸克一胶子等离子体就马上开始冷却。夸克在一种称为强子化过程中凝聚回到囊中。要对夸克一胶子等离子体的瞬时存在提供直接的证明是一项艰巨复杂的任务。夸克小滴可以在由等离子体到强子气的相变过程中形成并且可以存在足以被观测到的长时间。从一个正在冷却的夸克一胶子等离子体形成“小怪”的机制最初是由欧文加利福尼亚大学的刘汉朝(音译)和Gordon L．Shaw以及由不来梅大学的Peter Koch、法兰克福大学的Horst StÖcker和我们中的一位(Greiner)这两组研究人员分别独立提出的。他们推测在夸克一胶子等离子体中与奇夸克数目相等出现的那些反奇夸克(奇夸克与其反物质对应物肯定是成对产生的)与初始原子核中的大量轻的上夸克和下夸克组合形成K介子。根据St0cker和Greiner的计算结果，从过剩的奇夸克中产生奇异重子(例如A子)从能量上说要比产生“小怪”更为耗能。这种假说认为，如果奇异夸克物质在低温下能存在的话，那么它应是从大量冷却着的夸克一胶子等离子体中凝聚出来的。

为了检测奇异夸克物质块，实验工作者必须发明出将它们与正常强子物质簇射相分开的方法。困难在于它们组成了一类新的物质形态，而不是一种特殊类型的粒子。研究人员通常设计的实验是用来寻找具有单一质量的、并已很好限定其质量的粒子。但是奇异夸克物质的小滴则可能具有几乎是任意的质量。

检测奇异夸克物质块的关键在于要利用前述的它们所具有的很小的电荷-质量比。对正常核物质来说，这一比值的范围从氢同位素氚的1：3(氚含有两个中子和一个质子)到由单个质子组成的氢核的1。大多数核大约有着相同数目的质子和中子，这样其电荷一质量比就为1：2。然而，奇异物质的电荷一质量比则应小到±1：10或±1：20，这使它很容易与普通物质相区别。

磁谱仪是值得选用的仪器。在磁谱仪中，带电粒子束由于很强的磁场而发生偏转。通过测量粒子进入磁谱仪中的偏转角及其速度，就可以很容易地得出这种粒子的电荷一质量比。最近进行的几项实验都是应用这种方法来寻找奇异夸克物质的。

寻找在高能核碰撞中形成的奇异夸克物质和其它粒子的首次高灵敏实验目前正由我们中的一位(Crawford)和他的来自美国和日本的同行在布鲁克海文国家实验室中进行。在这项实验中，一束接近光速的金原子核猛烈撞击在一个由金箔作成的靶上。在每次碰撞中大约要产生500到1000个粒子。在布鲁克海文的这项实验仅仅检验了在核束方向上运行并且由一系列磁体聚焦的少数粒子。

这些粒子首先与磁谱仪相遇，在这儿测量出它们通过强磁场时产生的偏转角。然后测量出这些粒子的速度。测量工作以两种方式进行。运动较慢的粒子的速度是通过观测其通过一系列为闪烁计数器的探测器来测定的，闪烁计数器是一些塑料薄层，当带电粒子穿过它们时会发出微弱的闪光。速度是通过测量粒子从一个探测器到另一个探测器时所花费的时间然后用此时间测定值去除这两个探测器之间的距离计算得出。运动较快的粒子的速度是通过

切伦科夫探测器来测量的。切伦科夫计数器的测量原理是，当一个带电粒子以比光在某一介质中的速度为大的速度穿过该介质时，该粒子就会发出明亮的冲击波。将偏转角与速度相结合就给出电荷一质量比。

设置在布鲁克海文实验室的磁谱仪较为简单。一个主要的局限在于这台检测器只能看到偏离粒子束很小的角度出现的粒子。这与通过一台高倍显微镜观看物体的情况很类似。图象可能很清晰，但是观看的范围很小，因此就很难在一个很大的区域内找到一个微小的物体。布鲁克海文的磁谱仪的灵敏度范围也很窄。电荷一质量比低于1：25的奇异物质都不可能探测到。

为了提高这台磁谱仪的有限的灵敏度，人们要么降低放大率要么建造一台更大的磁谱仪。这两个途径正由寻找奇异夸克物质的不同物理学家研究小组所采用。伯克利加利福尼亚大学的P．Buford Pricc及其合作者采用的是第一种方法。他们的实验对于在磁场中偏转很小的、慢速重粒子来说很灵敏。

在布鲁克海文，耶鲁大学的Jack Sandweis及其同事们采用的是第二种方法。他们建造了一台巨型的非聚焦磁谱仪，即开放几何型磁谱仪。由于设有

聚焦磁体，因此他们的实验设备几乎有30米长。其磁谱仪有8米宽3米高。由于这台仪器如此之大，以致在每次碰撞之后有很多粒子进入磁谱仪，这就增加了操作的复杂程度。

CERN的粒子加速器可以提供比布鲁克海文能得到的能量高得多的粒子，它也开始进行一项寻找新物质形态的工作。瑞士伯尔尼大学的Klaus Pretzl及其合作者计划实施铅核间的碰撞。他们将使用一台类似于安装在布鲁克海文的磁谱仪。然而，CERN的装置几乎有500米长。这项实验将在1994年产生它的第一个粒子束。

由于受到理论计算的鼓舞，对奇异夸克物质的寻找工作现在进行得很好。对它的检测——不管是在地球上，在太空中还是在世界上最强大的那些粒子加速器内的亚原子碰撞中——都会有助于阐明夸克的性质、物质的结构和宇宙的组成。这一发现还将证明世界是物理学家们所设想的一个奇异的地方。