科學家創造出僅由強力維系的新型原子核束縛態

普通原子需要“強力”（strong force ，又稱“強交互作用”/strong interaction，或“強核力”/strong nuclear force）與電磁力共同作用才能維持結構穩定，但物理學家長久以來一直思索：能否讓一個不帶電的粒子與原子核結合，創造出一個完全不依賴電磁力、僅憑強力單獨維系的束縛系統？

由于η?介子（eta prime meson）不帶電荷，因此它無法透過電磁力進行束縛，只能依賴強交互作用——這使它成為驗證上述問題的理想候選粒子。

研究人員以質子束轟擊碳-12，成功讓產生的一個η?介子短暫與碳-11原子核相結合，形成了首個被觀測到的、僅由強力維系的系統，這同時也為物質質量的來源提供了重要線索。

理想的驗證對象

數十年來，所有已知的原子與核系統都依賴至少兩種基本作用力協同作用：強力將質子與中子束縛于原子核內，電磁力則使電子繞著原子核運動。如今，一支國際物理學家團隊首次找到實驗證據，證明核系統可以僅由強力單獨束縛——這不僅印證了二十年前的理論預測，也為探索物質如何獲得質量這一難題開啟了一扇新的窗口。

要構建一個僅由單一作用力束縛的系統，需要一種具有特殊性質的粒子：不帶電荷。普通原子無法勝任，因為其組成成分——質子與電子——均帶電荷，電磁力始終參與其中。

描述四種基本作用力中的三種（強力、弱力與電磁力；不含引力）的粒子物理標準模型預測，不帶電的介子應能僅透過強交互作用與原子核結合。

η?介子正是理想的驗證對象：它不帶電荷，因此無法透過電磁力束縛；同時它異異常巨大的質量，更使它成為探測強力內部機制的獨特工具。

長期謎題——η?介子為何如此重

η?介子的巨大質量本身就是一個謎團。

自從物理學家史蒂文?溫伯格（Steven Weinberg）在1970年代提出以來，這個問題被稱為“U(1)問題”。其核心在于：簡單的夸克模型無法解釋η?介子為何如此之重。

現代量子色動力學（QCD）——描述強力的理論框架——認為，η?介子額外的質量來自于一種稱為“手征對稱性破缺”（chiral symmetry breaking）的現象，以及膠子（gluons）所產生的量子動力學效應。膠子是負責在夸克之間傳遞強力的粒子。

簡言之，“手征性”（chirality）指的是粒子的左右手性：正如你的右手在鏡中看起來像左手，兩者無法完全重合一樣，某些粒子也存在右手性與左手性兩種形式。當核物質中的這種對稱性被打破時，便會產生η?介子的大部分質量。

預測η?介子質量的這些理論同時指出，當η?介子嵌入原子核內部后，其質量會有所降低。

若能測量到這種質量降低，將成為強有力的證據，證明“手征對稱性破缺”確實是η?介子質量的來源。進一步來說，也能說明它是所有強子（包括構成可見物質的質子與中子）質量的重要來源。

實驗證明：強力本身就足以形成穩定（雖然極短暫）的核束縛態

如今，一支由日本埼玉縣“理化學研究所”（RIKEN）的物理學家關谷遼平（Ryohei Sekiya）、板橋健太（Kenta Itahashi）與田中良樹（Yoshiki Tanaka）共同領導的國際團隊，成功完成了這項實驗。

他們以接近光速一定比例速度的質子束，轟擊碳同位素碳-12（C-12）的原子核，質子束的轟擊使原子核中的一個中子被擊出。

當該中子與一個質子結合后，形成一個穩定的氘核（deuteron）并高速飛離。同時，剩下的原子核已經轉變成碳-11（C-11），且內部殘留了極其龐大的能量。

這些過剩能量可以產生一個η?介子，而在極少數情況下，該介子會與碳-11原子核結合，形成一種短暫存在、完全由強力維系的量子態。

η?介子的存在時間極為短暫，約為極短的十萬億億分之一秒（約10?21秒量級），之后便會衰變。

為了捕捉如此轉瞬即逝的事件，研究團隊使用了一種特別設計的名為WASA的探測器。該裝置能夠辨識當η?介子被原子核吸收時所產生的高能質子。

即便如此，背景雜訊事件仍比真正的訊號多出100至1000倍，使得測量工作異常困難。

盡管面臨重重挑戰，研究團隊仍在數據中發現了與“η?介子-核”（η?-mesic nuclei）——這種“新型態的原子核束縛態”——理論預測相符的峰值結構。

他們的研究成果于4月7日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，結果顯示，η?介子在核物質內部的質量降低了約60MeV/c2。

這項研究的重要意義

這一結果從定性上支持了以下觀點：

? η?介子的質量來自手征對稱性破缺； ? 膠子的量子動力學效應也扮演關鍵角色。

研究人員寫道：“在手征對稱性恢復的環境中研究質量分布，可以提供有關質量產生機制，以及宇宙演化過程中真空非平凡結構的重要資訊。”

他們還表示：“這些結果顯示，這是首次直接偵測到η?介子-核束縛態，為研究高密度核介質中的介子性質提供了重要資訊。”

研究團隊補充，未來進一步的“目標是測量η?介子的基本產生截面（production cross section）”。