嘮科
嘮科，像嘮嗑一樣聊科學。走近中國科學院大學，走進科學的殿堂。這是一個面向大眾的平臺，在這裡和你嘮一嘮UCASer眼裡的科學和感悟。每周嘮科都會推出一些有趣的話題，如果你有什麼想聊的可以給我們留言，在這裡我們無話不談，當然還是要講科學的。
本期嘮嗑帶你了解物理學中的「膠球」
預計閱讀時間8分鐘
奇特態強子之膠球
費曼曾經說過，「如果在某場災難中，所有科學知識都被毀滅，只有一句話傳給下一代，什麼話能用最小的幾個詞包含最多的信息？我相信是原子假說，即所有物質都是由原子組成。」
我們現在已經認識到，原子是由原子核與核外電子組成的，原子核又是由核子（質子和中子）組成。那麼核子內部是否還有更微觀的結構呢？現代物理學給出的答案是核子由夸克組成。
物理學家用「味道」來區分不同的夸克，有傳說這是當年蓋爾曼一邊吃冰淇淋一邊做科研，就很隨性的用冰淇淋的顏色味道來標註物理量。
目前物理學家已經發現6種不同「味道」夸克，分別是上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c）、奇異夸克（s）、頂夸克（t）和底夸克（b），每種味道的夸克還存在相對應的反夸克。
從夸克之間的強相互作用說起
夸克之間存在一種叫強相互作用的力，它是自然界人類目前已知的最強的相互作用力。強相互作用通過膠子場來傳遞，這有點類似於電荷之間通過電磁場傳遞電磁力。一個質子包含三個夸克，這三個夸克又通過膠子傳遞的強相互作用形成一個束縛態，這同樣可以類比電磁相互作用，原子核和核外電子通過電磁力形成一個原子，而電子不能自由的離開原子正是由於這種電磁力。組成質子的3個夸克的質量只佔質子質量的不到2%，大部分質量來自於參與強相互作用的膠子。
再回想一下原子，組成原子的核子與電子的質量和幾乎等於原子質量，而原子核與電子之間的電磁場對於質量的貢獻非常小。從這些可以看到強相互作用的強度非常大，或者可以說強相互作用是物質質量的主要來源，因此研究夸克和它們之間的強相互作用是認識物質世界的基礎。
強相互作用與我們的直覺相反，不同於萬有引力和電磁力強度隨距離成反比，對於強相互作用，距離越近作用力越弱，距離越遠作用力越強。當你試圖分開質子中的夸克（當然用手是掰不開的），分離的越遠，需要的作用力就越強，這種力強到可以在真空中產生一對新的夸克，而不會把原有的夸克分開。想想磁鐵，當你折斷磁鐵的時候，你不會得到兩個磁單極，而是產生兩個新的磁鐵，這種行為類似於夸克的性質。強相互作用的這種性質叫做「色禁閉」，色禁閉的來源與機制是當今物理研究中最重要的基本問題之一。
再來看看強子是什麼
夸克被膠子粘在一起形成強子。在傳統的認識中，存在兩類強子，一類由三個夸克構成，稱之為重子，質子和中子都是重子；另一類由一對正反夸克構成，稱之為介子。強子的性質主要取決於其內部組成的夸克種類，即味道量子數，以及這些夸克的相互關係，即自旋宇稱和徑向量子數。
每一種夸克都有其特有的味道，這些味道的總和就是強子的味道；強子的自旋宇稱是由夸克的自旋和相互間的軌道角動量決定的。對於介子，首先可以分為兩大類，味中性(即正反夸克相同，特別注意 u，d夸克視作同一味道，以下記為 q)和S、C、B、T味道(正反夸克味道不同)的介子。對於帶味道的介子，根據味道不同即可命名。而對於味中性介子的命名不僅根據其味道，還要區分夸克對的總自旋為 0 或 1，以及軌道角動量為奇數或偶數。重子含有三個夸克，只需要按照不同的味道量子數區分。高激發態的強子均由對應強子名稱加上「*」來表示，並在其後的括號內標識其質量。
然而，強相互作用允許新的物質形態存在，例如由純膠子構成的膠球、由夸克和膠子構成的混雜態和由三個以上夸克構成的多夸克態等等（如下圖所示），它們統稱為奇特強子態。尋找和研究這些新的物質形態將為夸克和膠子形成強子提供重要信息。如果奇特強子態不存在，將意味著強相互作用基本理論需要重大變革。
在科學史上，原子光譜對研究原子結構和發展量子電動力學起到了重要作用。與此相似，強子譜也是我們研究強子微觀結構和強相互作用的重要工具。
膠子與光子之間的一個巨大區別是膠子有自相互作用，而光子沒有。因此理論上存在膠子形成的束縛態——膠球，這是強相互作用的重要特徵之一。尋找膠球是對強相互作用的直接檢驗，對於研究膠子場和理解色禁閉有重要意義。強相互作用隨著能標降低而變強，導致低能區微擾理論將失效。因此，我們需要建立非微擾模型來研究膠球的性質。其中格點量子色動力學方法是目前熱門方法之一。
這種方法對計算機性能的要求非常高，無形中提高了研究成本。量子色動力學求和規則是同樣有效的非微擾理論，它把QCD中非微擾效應等同於真空凝聚，通過解析方法來研究膠球的性質。
格點量子色動力學和量子色動力學求和規則都對最輕的三個態，也就是標量態、張量態和贗標量態能譜進行了預言。這就為實驗尋找這些膠球提供了非常好的指導。
這些膠球和由夸克組成的常規介子具有相同量子數，實驗觀測到介子譜可能是膠球與普通介子發生混合的結果。因此膠球的尋找和甄別非常困難，至今仍是強子物理的國際前沿課題。
為了確定膠球，理論和實驗上需要進行系統的精確研究，一方面找到超出夸克模型預期的額外共振態；另一方面要測量各個共振態的自旋宇稱、質量、寬度和衰變率等性質，發現難以用簡單夸克模型解釋的反常性質。需要特別注意的是，有一些量子數是不能應用傳統的夸克理論解釋，這些量子數稱為奇特量子數。但是膠球卻可以具有奇特態量子數，因此這類具有奇特量子數的膠球不會和普通介子發生混合，有利於實驗觀測。長期以來國際上有大量理論和實驗上關於奇特膠球的研究。
對膠球進行系統的研究需要非常大量的數據和複雜的分析。尋找膠球首先需要全面地找出並確認夸克模型預期的介子譜，從而找到無法歸類於夸克模型介子譜的共振態。然後需要系統地研究多種反應過程確定膠球候選者的產生和衰變性質。
綜合所有這些信息才能回答諸如以下等問題：純的膠球是否存在；以膠球為主的強子態是否存在；如果存在，膠球的衰變模式如何等。
因此，尋找和研究膠球需要非常多的統計量和完整的反應模式，而至今人們尚未尋找到明確的膠球信號。
本文系「現代物理賞析」項目作品，得到國科大2019年度文化建設（品牌培育類）經費專項支持。
相關閱讀
嘮科||攀登珠峰能否成功登頂？得先看天
嘮科||世界首例！「單條染色體酵母」made in China
看官可有什麼想與國曉薇分享的？
投個稿告訴我吧~
投稿郵箱：wechat@ucas.ac.cn
觀微之光，可明遠方
文字/萬秉東
圖片/網絡
美編/陸紫琪、祝曉蕾
責編/殷瑞蓮
留言/分享你對嘮科的評價
原標題：《嘮科||物理是如何從耳熟能詳的概念一步步講到我聽不懂的》