物理學家預測:週期表之外,夸克擺脫縛態但保持穩定,構成新形式物質

作者 | 發布日期 2018 年 07 月 01 日 12:29 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

我們知道構成原子核的基本單元為質子與中子,它們又各由 3 個基本粒子「夸克」束縛組成。不過多倫多大學 3 名物理學家團隊最近提出一個預測,在當今元素週期表之外,可能會有由「自由流動」的上、下夸克構成的新元素。



夸克是一種基本粒子,為構成物質的基本單元,由夸克形成的複合粒子叫「強子」,強子決定量子數的夸克叫「價夸克」。

強子又分兩種:帶 3 個價夸克的「重子」,及帶一個價夸克和一個反價夸克的「介子」,最常見的重子就是構成原子核的質子和中子,質子由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子則由兩個下夸克和一個上夸克組成,在正常條件下為彼此束縛住的三夸克態,無法解離。這也是所有已知重子物質的一大特徵,夸克會被強大的力量緊密結合在一起。

但一篇新論文,加拿大多倫多大學的物理學家 Bob Holdom、Jing Ren、Chen Zhang 預測,未來可能會有一種原子量大於 300 的新元素,是由「自由流動」的上夸克與下夸克組成──與組成質子、中子的夸克相同,但新元素的夸克不會如同三胞胎相互束縛,而是在擺脫約束的情況下繼續保持穩定,成為週期表之外一種新形式物質。

▲ 由 2 個上夸克、1 個下夸克構成的質子。(Source:By Jacek rybak [CC BY-SA 4.0], from Wikimedia Commons

類似想法並不是第一次提出,30 年前,曾被一些同行譽為愛因斯坦後繼者的美國猶太裔物理學家愛德華‧維騰(Edward Witten)就提出這種觀點:由自由流動的上夸克、下夸克及奇夸克所構成的「奇異物質」(strange matter),將能在足夠壓力下保持最低能態與穩定,比如中子星的核心──但維騰的想法在當時被駁斥。

之後,物理學家幾十年來試圖尋找由上夸克、下夸克及奇夸克構成的奇異夸克物質(strange quark matter,SQM),多倫多大學團隊現在進一步健全這個觀點,但差別在於他們認為搜尋目標可能錯了。新論文數學計算指出,就算沒有奇夸克,只靠幾乎無質量的上夸克和下夸克也能組合出比目前週期表中最重元素還要重的質量,而這種新物質可能存在於中子星內部。

元素週期表最尾端,有一個甫於 2016 年經人工合成的超重元素 Oganesson(Og),是包含了 118 個質子(原子序 118)但原子量不到 300 的怪物,也是第 7 週期中最後一個元素,其原子序數和原子量都是目前所有已發現元素中最高的。

研究人員說,如果具有「上下夸克物質」(up-down quark matter,udQM)特性的元素其最小質量不超過 300,那麼或許可以透過融合其他重元素在地球產生一種新形式的穩定物質,成為全新能量來源。

這些重元素究竟長什麼樣子、行為表現如何還很難說,但可以推測的是,它們應該不太可能遵循一般規則。研究人員未來計劃探索地球、甚至宇宙中夸克物質存在的可能性,新論文已發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖為原子核示意圖,來源:pixabay

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