当粒子对撞机使粒子相互碰撞时，产生的碎片云中有时会包含一种令人费解的成分：轻原子核。这类原子核的结合能相对较低，按常规认知，它们在远低于高能碰撞所对应的温度下就会瓦解。然而不知为何，它们的特征信号却依然能够被观测到。这个谜题困扰物理学家数十年之久，如今欧洲核子研究中心（CERN）的大型离子对撞机实验（ALICE）合作组的研究人员终于揭开了谜底。实验表明，轻原子核是通过一种被称为“共振衰变形成”的过程产生的。这一发现有望为探索超越标准模型的新物理学目标开辟道路。

重子共振

ALICE合作组研究了在CERN大型强子对撞机实验中形成的氘核（由一个质子和一个中子结合而成）以及反氘核（由一个反质子和一个反中子结合而成）。氘核和反氘核都极为脆弱，其结合能仅为 2.2 兆电子伏特。这让人直觉上认为它们难以在能量超过 100 兆电子伏特（对应的温度相当于太阳核心温度的十万倍）的碰撞中形成。

研究人员发现，在这类碰撞后观测到的氘核中，约有 90% 是通过一个三阶段过程形成的。第一阶段，初始碰撞会产生一种所谓重子共振态，即由三个夸克组成的粒子（如质子或中子）所处的一种激发态。这种粒子被称为Δ重子，它们高度不稳定，因此会在第二阶段迅速衰变为一个π介子和一个核子（质子或中子）。随后进入第三阶段：核子逐渐冷却到特定的能量状态，使其能够与另一个核子结合，从而形成氘核。

关键证据

测量如此复杂的过程绝非易事，因为所有相关过程都发生在飞米（10^-15米）量级的尺度上。ALICE合作组精准测量并分析了π介子和氘核动量的相关性。在分析这些粒子对之间的动量差时，他们在数据中观察到一个峰值，该峰值对应Δ重子的质量。这表明，π介子和氘核在运动规律上密切相关，因为它们源自同一个“祖先”：π介子来自一次Δ衰变，而这次衰变也提供了构成氘核的其中一个核子。

ALICE合作组成员帕诺斯 · 克里斯塔科格鲁（Panos Christakoglou）表示，这项实验之所以引人注目，是因为它与以往多数依赖模型或唯象假设来解释结果的研究不同——这项研究不依赖模型。

搜索正在展开

有趣的是，克里斯塔科格鲁指出，ALICE合作组的技术也可用于搜寻暗物质的间接迹象。许多模型预测，暗物质候选者（如弱相互作用大质量粒子）会在衰变或湮灭过程中产生标准模型粒子，其中包括（反）氘核。“举个例子，如果观测到宇宙射线中的（反）原子核流量高于‘基于标准模型的’天体物理背景水平，那么这种过量现象就可能归因于与暗物质相关的新物理理论。”克里斯塔科格鲁表示。

挪威特隆赫姆科技大学的物理学家迈克尔 · 卡切尔里耶斯（Michael Kachelriess）指出，关于轻原子核（及反轻原子核）形成机制的争论始终没有定论。在他看来，ALICE 合作组收集的数据明确表明，轻核是在碰撞的后期阶段通过核子的并合形成的。卡切尔里耶斯称这一成果本身就是一项“了不起的成就”，而且还有望用来探讨其他问题，例如质子-质子碰撞是否也会像重离子碰撞那样形成热等离子体。

资料来源 Physics World