在核和中子星之间绵延着一个没有核物质的沙漠地带。是奇异夸克物质填补着这片空白？

几年来，物理学家迷上了一个特别引人涉奇探胜的难题。质子和中子很快形成的要么是微小的物质颗粒（各种原子核），要么是很大的物质块体（中子星）。但是在介乎可见的核和超密集的中子星（它是真正的大核，周长约11公里以上）之间至今没有检测到核形态的物质。这里发生着什么？是我们所知的物理法则不允许核粒子把自己集结成能填补这个“中等”大小块体的区域？还是这片核沙漠中实际上填补着新的物质形态，只是它的结构与普通物质不同，研究人员还没有能发现它？

事实上，体现着我们对物理学现行理解的理论——标准模型，好像是同核物质的新形态的存在是一致的，新形态的核物质可以在这片沙漠上落脚。如果标准模型是正确的，那么对这种新物质的检测就能解开宇宙学上的一个重大秘密：被认为占可观察宇宙90%的“遗漏”物质的本质。这是一个值得摘取的获奖项目。因此，我俩同许多来自别的研究机构的众多合作者联手，在布鲁克海文实验室进行一项实验，寻找这种可能填补这个空白的核物质形态存在的证据。

按照标准模型，所有物质都由夸克组成。夸克分六种，组成三对孪生物：“上”和“下”，“奇异”和“粲”，“顶”和“底”。除了顶夸克，其余都已观察到。出现在我们的日常生活中的只有两种夸克，就是上夸克和下夸克。

一个质子由两个上夸克（每个都带分数电荷+2/3）和一个下夸克（电荷是-1/3）组成。两个下夸克（-1/3，-1/3）和一个上夸克（+2/3）组合成中子。其它种类（或味）的夸克，只在短寿命的粒子中发现过。近来，理论计算得出，在通常物质中发现的两种味的夸克和第三种夸克——奇异夸克组合能够形成稳定的实体，这样的奇异夸克能够无困难地把自己集结成大小恰好在核和中子星之间的实体。

要理解奇异夸克怎么会物质化，就必须更深入地研究标准模型。由夸克形成的质子、中子和其它粒子统，称强子。为了简化，物理学家经常把强子模拟为微小的“袋”。夸克在袋中自由游荡，但逃不出去。全部已知的强子不是由袋藏的3个夸克组成（重子），就是由袋藏的1个夸克和1个反夸克组成（介子）。像各种基本粒子一样，每一种夸克也都有它孪生的反夸克。

袋内的夸克经过弱力的作用能够改变它的本性，这是引起β衰变的原因。弱力把下夸克改变为上夸克。中子（上、下、下夸克，或udd）在弱力改变它的一个下夸克成为一个上夸克时就变成质子（上、上、下夸克，或uud），在改变过程中放出一个电子和一个中微子。弱力还能把奇异夸克改变为下夸克。这一效应说明了何以包含有奇异夸克的粒子一如λ（包含一上夸克、一下夸克、一奇异夸克的重子）或k（包含一反奇异夸克，配以一上夸克或一下夸克的介子〉——是不稳定的。

我们正向着获奖迫近。这是因为我们提出了另外一个问题：稳定的袋包含着三个以上的夸克是否可能？虽然还没有检测到这种情况，但是理论上认为并没有不容许这样的物质存在的明显理由。有一点是清楚的：如果它们存在，组成它们的就不只是上夸克和下夸克，为了明白这一点，不妨考虑氘核，它的成分是一个质子和一个中子，或者说6个夸克。虽然质子和中子在氘核中是束缚在一起的，然而从实验中知道，组成这些粒子的6种夸克仍然清晰地集结成两个3—夸克袋：质子（uud）袋和中子（udd）袋。如果由全部6个夸克组成比氘核能量更低的单个袋，就不可能出现上述情况。因为如果能产生这样的单个袋，氘核的夸克就会自发地重新集结成这种状态。这个论证方法可以方便地推广到其它核。结论是，如果多于3个上和下夸克的多夸克袋是稳定的，那么我们所知道的物质就不会存在，因而也不会存在我们这些人。

但是，如果在上、下夸克组合物上加入奇异夸克，会是怎样的情形呢？这样的奇异夸克物质由团集在单个袋里数目大致相等的上、下和奇异夸克组成。1971年，伊利纳伊斯大学的A. R. 鲍特曼是第一个考虑这种物质新形态的研究者。他提出比通常的核受到大得多的压缩的奇异夸克团，它可以在恒星内部作为长寿命的核物质奇特形态存在。

麻省理工学院的S. 钦和A. K. 柯曼，明尼苏达大学的L. D. 麦克劳蓝，斯坦福大学的J. D. 皮约根都独立地提出了这个问题。他们推论出几个一般论证，解释为什么奇异夸克物质应该是稳定的。像电子绕原子轨道运行那样，强子袋内的夸克占据明确的能级或量子态。根据泡利不相容原理，每个量子态只能有一个夸克占有。奇异夸克物质稳定性的理由之一是没有一个空能量态可以接收起因于奇异夸克弱衰变的下夸克：低能量的下夸克态已被填满。这个原理说明了通常物质的稳定性：一个自由中子大约在11分钟内衰变为一个质子，但是在稳定核中，中子却能永远生存下去。理由是，倘若中子要衰变，并没有空量子态接收新生的质子。有给予质子以空能量态的核是放射性的，它经历着β衰变。

然而怎样解释填补大小介于核和中子星之间的奇异夸克物质的稳定性呢？核物质由数目大致相等的质子和中子组成。前者带有单位电荷，后者不荷电。原子核中荷电质子的静电斥力随质子数的增加而增大。静电斥力最终压倒了把核束缚在一起的强力，这就是为什么稳定核的大小有一个界限的原因。

在装着奇异物质的夸克袋中，情况有很大的不同。量子力学法则说明：平衡时，多夸克袋中的三个夸克味均分有效能量，奇异夸克比上、下夸克更厚重，所以一块奇异夸克物质中奇异夸克要稍少一些（质量与能量相当），上夸克的电荷是+2/3，因而会被各个下夸克和，奇异夸克所带的-1/3电荷的总和所大大（不是全部）抵消。结果，奇异夸克物质只带很少量的正电荷，由于正负电荷接近平衡，就没有了作用于通常核物质那样的大小界限。大块的稳定奇异夸克物质因而能够存在。

果若如此，那么它们的出现就能解开长期悬疑的天体物理学之谜。天体物理学家通过对星系的详细观察得出结论，宇宙内涵比我们肉眼看到的要多得多，全部可见恒星和发光的星系尘埃，其缔合引力场远不足以产生星系或星系中个别恒星的运动。计算证明，遗漏物质的总量是巨大的，它至少占全部宇宙物质的80%，显然冷而且暗，用任何射电望远镜或光学望远镜都检测不出来。

1984年，普林斯顿大学的E. 魏丹提出了奇特的可能性，说遗漏物质（宇宙的大部分）是奇异夸克物质，魏丹设想的情景开始于很早期的宇宙，那是在大爆炸之后不久，但在轻核开始形成之前。那时的宇宙高热而密集，夸克在那里漫游。魏丹提出，奇异夸克物质是在大爆炸后最初的10^-6秒内从这种夸克相中形成的。这些熔核的直径在10^-7到10厘米之间。10³³到10⁴²个夸克组成一个熔核，每个熔核重10⁹到10¹⁸克。棒球大小的熔核重量超过一万亿吨。但是由于这些熔核很小，散射的光很少，所以几乎不可能直接观察到它们。

M. I. T. 的E. H. 法希和R. L. 约费用预言的通常强子质量的适当计算发现了这种奇异夸克物质块片或奇异颗粒（比魏丹预言的尺度范围更大）能稳定存在。如果这一发现无误，奇异夸克物质就能填充巨大的核沙漠。任何已知的物理原理都不能消除这个思辨的画面。

谨慎的读者也许担心，比通常的核更轻的奇异颗粒会带来潜在的灾难性后果，通常物质会衰变成奇异颗粒。法希和约费向我们保证，这种情况可能出现，但几率很小，以至于在一个几倍于现行宇宙年龄的时间里都不会发生。

倘若奇异夸克物质确实占宇宙质量的80%，那么偶尔会有一块落到地球，这好像合乎逻辑。CERN的A. D. 鲁居拉，哈佛大学的S. L. 格赖胥已计算出这种冲撞效应：一个少于10¹⁴个夸克的奇异颗粒能够被地球减速或阻止。这样的冲撞会取不平常的陨星事件的形成，那是带着特殊信号的或者带着古代云母中奇特的粒子径迹的地震。多于10²³个夸克的熔核动量太大以致不能被冲撞所阻止，它们会直接穿过地球。而魏丹预言的那种尺度大小都是观察不到的。

大小少于10⁷个夸克的熔核也许已经从较大的星团上脱落下来，嵌入陨星或外壳物质，它们在那里的行为很像典型的核。在明兹大学，K. 鲁德辛克欣同他的德国和以色列合作者最近开始在陨星中寻找小的奇异颗粒。他设计了一种从陨石中筛选出奇异颗粒的精巧方法。他的技术以这样的事实为基础：奇异颗粒大大重于通常核。他向陨石发出铀核束，寻找那些被反弹回来的铀核。基础物理学能够证明，这只有在靶的质量大于铀核的质量时才能发生。这些实验和别的实验都还没有得到稳定奇异夸克物质存在的证据，尽管他们对其质量范围作了某些限制。

宇宙观察也常被一些研究者用来确定宇宙中奇异夸克总量的界限。如果在大爆炸中形成奇异熔核，它们就会吸收中子，从而降低自由中子对质子的比。这一效应反过来会降低同位素氦、的产生速度。中子的吸收速度，随之氨的产生速度，对于所出现的所有熔核的表面总面积是很敏感的。总质量固定，表面积取决于粒子的大小和数量；许多小碎片的表面总面积大大超过少数大片的表面总面积，即使两种集合体的质量相同。所以，各个熔核越小（数量较多），中子的总吸收量越大。

丹麦阿哈斯大学的K. 里赛格尔和J. 麦德生把这一论证定量化。他们发现，如果夸克熔核的存在与遗漏的暗物质和观察到的轻同位素丰度两个总量一致，那么原始夸克熔核必须是由多于10²³个夸克所组成。

奇异物质还可能在超密集的中子星中发现（中子星是超新星的余留物），奇异物质的滴粒掉在中子星上，会像病毒一样袭击、吞噬中子星。之所以如此贪婪，原因在于电子性的中子不排斥带有微小正电荷的滴粒趋近，中子的夸克会被滴粒所吸收。芝加哥大学的A. V. 奥林托已证明，一颗滴粒能够消耗掉一个中子星，使它从中子星变成奇异星，时间不过一分钟。奇异星比中子星更紧密，因为它被固有夸克力所束缚。

较小的奇异星像两臂收缩的旋转冰舞者，它比中子星转动得更快。转动速率是能够检测到的。对半毫秒脉冲星的观察会是奇异星存在的有力证据，因为通常的中子星转动没有这么快。天体物理学家正在热切地寻找这样的物体。

在缺少快速转动的奇异星的情况下，用现行的观察天文学技术未必能检测到奇异物质。最近。核与粒子物理学家开始应用高能粒子加速器来寻找奇异夸克物质的更直接证据。在最高有效能量下让两个重核迎头相撞，实验工作者很幸运，能在实验室里模拟早期宇宙的许多条件。这样的“小大爆炸”提供了精致的手段，使之能在高温高压下产生激动人心的非所预期的夸克重新配置。

小爆炸要求最重的核在所能达到的最高能量下发生碰撞。当重离子（如金和铅）互相碰撞时，触发了冲击波去加热核物质。核的能量导致火球的产生和奇特的强子洪流的形成。

在巨大能量下碰撞的两个重核可以看作是两个液滴。碰撞时液体温度急增。这时，它经历一种相变而成为由各种强子粒子组成的气体。如果碰撞能量足够高，各个强子袋就会破裂，释放出夸克，任其遨游。然后核物质经历第二次相变，成为自由夸克胶子等离子体，它像刚刚大爆炸后的宇宙状态。（胶子是在正常条件下把夸克束缚在一起的粒子）。等离子体会组合初生核的上、下夸克，加上相等数量的奇异夸克和反夸克，它们是直接从碰撞能量中产生出来的。

正如在大爆炸后的瞬间一样，当完成上述相变时，夸克胶子等离子体开始急剧冷却。夸克在一个叫强子化的过程中冷凝返回袋里。为在这个飞速瞬间存在夸克胶子等离子体提供直接证明原来是一项复杂任务。在这个从等离子体到强子气体的相变中可以形成夸克滴粒，寿命很长，可供观察。从冷却的夸克胶子等离子体到产生奇异颗粒的组成机制，首先独立地提出来的是：加州大学的H. 柳和G. L. 肖，布里曼大学的P. 柯支，弗兰福特大学的H. 斯多克尔以及我俩中的C. H. 格林纳。他们假设在夸克胶子等离子体中发现的同奇异夸克数量相等的反奇异夸克与丰富的轻上、下夸克相结合形成K介子。从剩余奇异夸克中产生奇异重子，如λ。根据斯托克尔和格林纳的计算，它比产生奇异颗粒所消耗的能量更大，这个假设说明，如λ果奇异夸克物质在低温下存在，它就应当从夸克胶子等离子体的冷却质量中凝结出来。

要检测奇异夸克物质的熔核，实验工作者必须设计出一种能把它们从通常强子物质喷射中分离出来的办法。困难在于它们构成的是一种物质的新形态而不是特殊类型的粒子。研究者通常设计一项实验去寻找一种质量确定的单独存在的粒子，但奇异夸克物质滴粒几乎可以具有任何质量。

检测奇异夸克熔核的关键在于利用前已提及的小荷质比。对于通常核物质，比的范围从1：3（氢的同位素氚，包含两个中子和一个质子）到1（氢核的单个质子）。大部分核有大致相同数量的质子和中子，它们的荷质比是1：2。相比之下，奇异物质具有的荷质比应当小到±1：10或±1：20，这使它很容易同通常物质相区别。

精选出来的仪器是磁谱仪。荷电粒子束在这里被强磁场所偏转。测量出偏转角和粒子进入磁场时的速度，就不难得到粒子的荷质比。现在有几个应用这种技术寻找奇异夸克物质的实验正在进行。

由我俩之一的H. J. 克劳福特和他的美国和日本同事在布鲁克海文正在进行的实验，是首次以高灵敏度寻找高能核碰撞中产生的奇异夸克物质和其它粒子。在这项实验中，以接近光速运动的金核射束重击在金箔做的靶上。每次碰撞产生500至1.000个粒子。布鲁克海文实验只测定了几个沿射束方向运动的粒子。通过一系列磁体将它们聚焦。

粒子首先撞击磁谱仪，在这里它们通过强磁场时产生偏转角。接着测量粒子速度。速度测量用两种方法。较慢粒子的速度用观察它们经过叫闪烁计数器的一系列检测器的通道来测定。计数器是塑料薄片做的，当荷电粒子通过时发生微小的闪光。测量粒子从一个检测器到另一检测器的距离，除以所花的时间，计算出速度。较快粒子的速度用Cerenkov捡测器测量。计数器是利用这样的事实：当荷电粒子通过一种介质，其速度大于光通过该介质的速度时，粒子发出辉光激波。从偏转角和速度可得出荷质比。

正在布鲁克海文建造的频谱仪比较简单，它的主要限制是，能够看到的只是从射束发出的微小角度的粒子。好像观看通过高功能显微镜的物体，也许像很清晰，但观察面积很小；要在大范围内去发现微小物体显得很困难。由于鲁克海文频谱仪也是一个狭窄的灵敏度区域，荷质比低于1：25的奇异物质是检测不到的。

要增加检测器有限的灵敏度，可以降低放大率，要不就建造一台较大的检测器。两种方法都在被不同的物理学家组采用。加州大学（伯克莱）的P. B. 普赖士和他的合作者采用第一种方法。他们的实验对重而慢的粒子灵敏，在磁场中这种粒子偏转很小。

在布鲁克海文，耶鲁大学的J. 沙德威斯和他的同事追求第二种方法。他们正在建造大型的非聚焦、明几何结构的频谱仪。由于没有聚焦磁体，他们的实验仪器差不多有30米长，检测器宽8米，高3米。设备如此之大，许多粒子是在每次碰撞之后进入频谱仪的，这增加了操作的复杂性。

CERN也已着手实施一个寻找物质新形态的计划。它的加速器提供的粒子能量比布鲁克海文所能达的高得很多。瑞士伯尔尼大学的K. 普拉兹尔和他的合作者装置铅核之间的碰撞。用的是类似布鲁克海文已装的频谱仪。但装备几乎500米长。这项实验在1994开始。

在理论计算的鼓舞下，寻找奇异夸克物质的工作正在顺利进行。它的检测器——地球上的，天空中的，世界上大部分粒子加速器的亚原子碰撞——会帮助解释有关夸克、物质结构和宇宙组成的本质。新的发现还会证明，宇宙这地方真如物理学家想象的那样奇妙。

[Scientific American，1994年1月号]

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* 本文两作者是基础研究和核物质科学家，现_布鲁克海文国家实验室从事检测和生产奇异夸克物质的研究。