互动科普

把质子结合在一起的胶子也可聚集成一些纯粹的胶滴。不存在由光构成的原子。也就是说，光子不会结合在其它光子上以形成复合的实体但是，使夸克——物质的基本单元——结合成诸如质子之类客体的粒子(即胶子)却可能真的彼此粘在一起。物理学家们把这样得到的微滴称为胶球。

据认为一个胶球的半径为0．5×10米，小于质予的半径，而其寿命则短于光穿过一个氢原子所需要的时间。尽管胶球看来是非常短命、转瞬即逝的．但是在过去一年中许多物理学家都开始相信胶球正在实验中显露其行踪。

发现胶球将成为一段丰富多彩的故事的激动人心的最高潮。到六十年代时，科学家们已经意识到，他们在实验中观察到的某些粒子是由一些更小的称为夸克的粒子构成的复合物．夸克除了带有电荷之外，还有其它一些更为奇特的性质。其中一个性质一—称为“味”有讲不同形式，它们的名称十分古怪，分别叫做上、下、粲、奇异、顶和底。另一个性质称为色荷，比如上夸克就有3种基本的颜色，即红、黄或蓝。

一个蓝夸克将和一个红夸克及一个黄夸克结合，构成一个没有任何色荷的白粒子。这个粒子可能是质子、中予或不计其数的由夸克构成的复合粒子称为重子)中的任何一种。(物理学家们之所以称这些色荷为色，是因为所有三种色荷加在一起等于零，正如三种原色合在一起产生白色一样)不同色荷之问的吸引力事实上就是所谓的强核力，它把夸克结合成更大的稳定粒子。

夸克也可以同反夸克结合，反夸克所带的荷与夸克相反。反夸克有反色，即反红、反黄或反蓝。(反色在数学上用负色表示。例如，反红就是“负红．、相反的色互相吸引。例如，一个红夸克将同一个反红反夸克结合，形成一个称为介子的白粒子。最普通的介子是介子，它常在核反应中被观测到。

电荷与色荷还有其它一些相似之处。电磁理论描述异种电荷之间的吸引。在四十年代．物理学家把电磁性与相对性及量子理论融合起来．创立了一个名为量子电动力学(QED)的基础物理学分支．这一理论是物理学中已知最成功的理论，它认为电磁力是由一种无质量的称为光予的粒子传递的。这些光量子破除了超距作用的经典观念：由于它们在(比如说)电子及其反粒予正电子之问来回运动，导致这两种粒子互相吸引到一起。

关于色荷——色荷是通过强力相互作用的——也存在一种对应的理论，称为量予色动力学(QCD)。这种相互作用通过胶予传递（胶子是强力的无质量量子)。

胶子与光子具有根本的区别。光子使带有相反电荷的粒子相互吸引，但它们本身却不带电荷。所以光子不能够相互吸引或排斥。然而胶子本身也是有色的，例如，一个红夸克在放出一个红／反蓝胶子后可以变成蓝夸克，一个胶子基本上可以吸引另一个胶子。

这一性质使胶子与它们的电磁力同类相比显得甚为奇特．光子均匀地围绕着电子．形成一个具有球对称性的壳层．而且光子的密度随着距离的增加而下降，因此电子和正电子之间的吸引力与它们之间的距离的平方成反比，胶子的分布则不如电子那样均匀，它们聚在一起形成了一条把夸克和反夸克连接起来的管道。夸克发出的色荷可以被认为是通过胶子管流到反夸克上，并被反夸克吸收。

胶质管

当胶子管被拉长时．它将以一个恒定的力往回拉．而不论长度的大小．把胶子管拉到无限大的长度一一也就是把夸克和反夸克分开一—将需要无限多的能量。因此，自由夸克是永远也不会出现的：自然界厌恶颜色，但是使一个介子聚合在一起的胶子管可能分裂成两部分，新的胶子管的有色端对应于夸克(或反夸克)，因此介子就一分为二。

具有这种作用方式的胶子(至少在理论上)同观测结果相符合，但它们真的存在吗？胶子的最明显证据来自于电子与正电子的湮灭，电子与正电子复合时释放出的能量常常又化为一个夸克和一个反夸克，它们最初滑相反的方向运动。夸克和反夸克之间的胶子管分裂成一股介子和重子族射，因此实验人员可以看到若干股背对背发射出的复合粒子喷流。

然而，有时夸克或反夸克可能会发射出一个胶子，从而产生总共3股喷流（见图1）。汉堡的德国电子同步加速器(DESY)实验室的研究人员在1979年首次观测到了这种3喷流，令人高的是．这种喷流恰好具有QCD理论家们所预言的性质。此类实验同时还证实了胶子能够发射其它胶子。

在DESY进行的其它研究也发现了胶子的存在(DESY是用高能电子穿透质子以探查其内部结构这些粒子也以其它方式显示其存在。例如，如果色力量子的内禀角动量为1(正如胶子的内禀角动量)，那么由重夸克或重反夸克构成的介子就具有预期的质量。

但是胶子事实上可以直接显示其存在。1972年，当时在加利福尼亚理工学院的Harald Fritzach和Murray Gell—Mann预言，两个或两个以上的胶子一一如一个红／反蓝和一个蓝／反红——能够组成一种牢固地结合在一起的、色中性的纯胶粒子。这种假想的粒子被称为胶球，理论家们也认为，胶子能够同介子结合在一起形成一种混合粒子。例如，一个红夸克和一个反蓝反夸克可以同一个蓝／反红胶子结合在一起，形成一个白色的复合物。

这是一个漂亮的设想。然而，量子色动力学是一种相当混乱的理论：强力的奇特的牯附性质使物理学家们不可能进行精确的计算．现在己知的有关色和胶的几乎所有事实都不是来自直接的计算，而是来自所谓点阵量子色动力学的大规模的计算机模拟。[参看本刊1996年硼Donald H．Wdngarten所著“用计算机研究夸克”一文。]选一方法把时空当作一种网格，称为点阵。某个夸克可能位于点阵中的一点上，并用一报线同另一点上的一个反夸克连接起来，这样的模拟计算的确产生了一种由纯胶构成的实体：一根收回到其自身上的胶子线，就好象一条蛇咬住它自己的尾巴一样．这种环状物是对胶球的粗略表示。

理论允许的最轻胶球对应于一根圆形胶管。投有角动量。根据量子力学，无角动量的粒子必定具有球对称性．事实上，胶环可以指向任何方向，因此描述胶环的波函数最终对应于一个球壳，具有其它拉长形状的胶球，其波函数为非球形的。因此它们有角动量，其质量也比较大。

有时把一个夸克一反夸克对连接起来的弦状胶管是松的，这样它的位置就不是在这个夸克一反夸克对之问的轴线上，而是离开轴线悬垂着，因而它可以象一根跳绳一样绕着该轴转动。这类构形可以被看作是古有一个额外的胶子，相应于前面提到的混合粒子，由于旋转需要相当大的能量，混合粒子的总内能或质量将大于介子单独的质量。

一个通常的介子（即没有与一个额外胶子相连接的介子)也可以旋转，但它是绕着与该介子所吉的夸克和反夸克之间的连线相垂直的轴旋转。能量最低的介子不存在这种转动，这些介子是用S波描述的，通常一个S波介子(例如常见的介子)将衰变成两个S波介子。但是一个混合粒子很少象这样衰变，因为它通过其特殊转动而获得的角动量必须守恒．据预测混合粒子将袁变成一个S被介子和另一个的确具有一定的内部角动量的短寿命介子，然后粒子将通过产生至少3个S波介子而显示其存在。

多年来，我们只能套用马克·吐温的话来形容我们的处境：“人人都在谈论混合粒子，但是无人为它干点什么。”实验人员发现，很难探测到一次衰变中发射出的所有3个介子，因此很少想去观测它们。

1994年12月，我们完成了对混合粒子所确可能的衰变的一项计算．此项计算使用的模型中的胶管是由代表胶子的一连串球构成的。该模型所得的结果与点阵计算所得的结果相似，但它能够阐明更多的情况，(点阵计算至今仍不能描述混合粒子的衰变，但它应当很快就能描述这种衰变了。)令我们大为兴奋的是，我们意识到在那一年的早些时候可能已经发现了一个混合粒子。

1994年夏，俄罗斯普罗特温诺高能物理研究所的实验人员报导说，在介子与质子的碰撞中产生了一种名叫π(1800)的粒子(括号中的数字表示粒子的质量，单位为兆电子伏特，即MeV。)该粒子具有研究人员预期混合粒子将具有的量子特性与衰变模式。

奇异粒子

遗憾的是，π(1800)的真实身份仍然不能确定，但是最近有证据表明存在一些称为奇异粒子(e~oti∞)的特殊的混合粒子。介子的特性通过几个量子数来刻划．包括它们的内部角动量(J它们通过其中心反射时的表现(宇称，用P表示)，以及在粒子与反粒子交换时它们的身份(电荷共轭，用C表示)。奇异粒子具有的这3种量子数的组合方式对于介子是禁戒的。最简单的奇异粒子有J=1，P=-1和C=+1。（对于J=1的最常见的介子，有P=-1和C=-1。)

1997年，布鲁克海文国家实验室的实验人员报导了这种奇异粒子存在的可能证据(他们也是以介子为射束，质子为靶。)此后不久，欧州粒子物理实验室（CERN)的水晶筒(Crystal Barre1)合作项目也宣布发现了这同一种奇异粒子存在的迹象。但是这些粒子并不是通过它们衰变成3个S波介子而被观测到的。实际上实验人员寻找的是两个S波介子，即η(eta)介子和π(pion)介子。(这两种介子并不是奇异粒子衰变的最常见的产物，而只是更容易被探测到的衰变产物。)最近，布鲁克海文实验室的研究小组报导了具有不同质量的一种奇异粒子存在的证据。这些粒子是否真的就是奇异粒子至今仍是一个热烈争论的话题。

胶球已被证明更难发现，因为大多数实验寻找的都是由夸克和反夸克构成的最终产物。1993~，在爱丁堡大学进行的一项合作研究通过点阵理论预测胶球具有1550MeV的质量。此后不久，IBM公司沃森研究中心的Donald Weingarten和他的合作者们计算出其质量为1740Mev。随后他们又预测胶球的寿命将为10-24秒。这微乎其微的一点点时间实际上已长得足以让胶球被探测到了。

在当时举行的一些会议上．本文作者之一(Close)强调指出．应该把大量的实验工作放在寻找质量在1500到1800MeV这一范围内的胶球上——而他当时并不知道水晶筒项目即将开始发现一种称为fo(1500)的短寿命粒子。该粒子的角动量(用下标表示)为零而其质量则在预期的范围内。这一粒子可能就是最轻的胶球。

但也可能不是。十多年来，实验人员一直掌握着一种称为ζ(1710)的粒子存在的证据。它的角动量J仍然未定。如果角动量J被证明为零，则该粒子将成为胶球的另一个候选者。

好象是嫌这种模糊不清还不足以把人们搞糊涂，量子力学又来进一步使情况更加混乱：量子力学要求具有相同量子数和类似质量的两种粒子能够互相混合。计算表明，存在着两种具有与胶球相同的量子数、位于相同质量范围内的介子胶球应当与这些介子结合，产生3种部分胶性的最终产物。事实上，fo(1500)与ζ(1710)似乎都具有可以使它们被认定为半胶球的若干特征。遗憾的是，其证据仍然不足以完全令人信服。

能够产生B介子的加速器将于1999年初开始在美国和日本收集数据。[参见本刊1999年1期Helen R．Quinn和Michael S．Witherell所著“物质和反物质之间的非对称性”一文。]除了其它用途之外，这些介子将为产生胶球和混合粒子开辟极有希望的新途径。

美国弗吉尼亚州纽波特纽斯的托马斯·杰弗逊国家加速器设施也将于明年开始进行搜寻胶球的高精度实验。到2001年CERN的研究人员也将参加进来。我们殷切希望这些实验中将有一个会得出纯净的胶的明确无误的证据。