CERN ALICE 實驗首創多維度測量 揭開原子核內膠子的奧祕

數十年來，物理學家們一直在爭論：當膠子（將夸克束縛在質子和中子內部的力量載體粒子）在原子核內密集堆疊時，究竟會發生什麼事？它們是否只是簡單地互相遮蔽，降低了表觀密度？還是它們會達到一個極限，因密度過高而開始相互排斥？來自 CERN 的 ALICE 實驗的一項里程碑式測量，首次收集到足以區分這兩種圖像的精確數據 。

測量：首次看到非相干 J/ψ 光核產生的多維圖像

這項新結果是在大型強子對撞機的超周邊鉛鉛碰撞中，首次對非相干 J/ψ 光核產生進行的多維度測量 。在這些碰撞中，鉛原子核極度接近彼此但並未直接碰撞——這種安排使得研究人員可以利用其中一個原子核的強大電磁場作為光子束，來探測另一個原子核的膠子結構。

通過測量 J/ψ 介子（由粲夸克和反粲夸克組成的粒子）在這些光子-原子核相互作用中是如何產生的，物理學家們能夠在極小的尺度上繪製出原子核內部膠子的空間分佈和密度。該研究報告了這項測量結果，它是相互作用能量和動量轉移兩者的函數，這種多維度的細節是前所未有的 。

前所未有的解析度：0.2 飛米

關鍵的進展在於解析度。通過分析數據中的動量轉移，ALICE 團隊能夠探測到小至 0.2 飛米 的結構——大約是一個單一質子大小的十分之一 。這是有史以來應用於原子核內部膠子分佈的最高解析度。

「在 0.6、0.3 和 0.2 飛米的解析度下，ALICE 逐步探測了原子核內更小的區域，」領導這項研究的堪薩斯大學核物理學家 Daniel Tapia Takaki 表示 。這種階梯式的方法讓團隊得以觀察，當你越來越放大觀察時，膠子行為是如何變化的。

數據顯示的內容：核陰影 vs. 膠子飽和

為了解釋結果，該團隊將他們的測量結果與兩個相互競爭的理論模型進行了比較：

• 核陰影 (Nuclear shadowing): 在此模型中，膠子密度在低動量分數下，通過來自不同核子散射的破壞性干涉而降低。數十年來，這一直是標準的解釋 。
• 膠子飽和 (Gluon saturation): 這個更極端的圖像預測，在非常高的密度下，膠子開始相互進行非線性相互作用——本質上，它們變得過於密集，以至於「排斥」新的膠子，從而設定了特定體積內可以存在多少膠子的極限 。

ALICE 的數據支持膠子飽和理論，而非傳統的核陰影圖像 。這挑戰了自 1970 年代以來一直是核膠子效應默認解釋的陰影框架。

發表於《物理評論快報》

這項研究於 2026 年 8 月發表在 《物理評論快報》《Physical Review Letters》上，所使用的數據來自 大型強子對撞機的第 2 次運行（2015-2018 年）。ALICE 合作組織包括來自全球數十個機構的研究人員，其中分析工作由 Tapia Takaki 在堪薩斯大學的研究小組主導 。

為何此事至關重要

這項結果之所以重要，是因為膠子主宰了普通物質的質量和結合能。了解膠子在密度下如何行為，對於建立完整的強核力理論（量子色動力學，QCD）以及解釋廣泛的核物理和粒子物理實驗（包括美國計劃中的電子-離子對撞機的未來測量）至關重要 。

如果膠子飽和得到證實，它將代表一種新的核物質相——一種從未見過的、稠密的膠子集體狀態。ALICE 的結果是迄今為止最強烈的實驗暗示，表明這種相存在於高能原子核內部 。