最近，大型强子对撞机（LHC）的TOTEM合作组与费米实验室太伏质子加速器（Tevatron）的DØ合作组，共同作出了一项能阐明宇宙中所有物质的基本构成的发现。
他们通过让质子以接近光速碰撞，发现了理论物理学家在大约50年前就已预测的一种粒子——奇数子（odderon）。去年12月，TOTEM与DØ团队在预印网站arXiv上发表了这一发现，该论文已经被提交到《物理评论快报》。3月5日，研究人员在一场于欧洲核子研究中心（CERN）举行的学术会议上，宣布了这一发现。
强力是自然界中的四种基本力之一，解释强力的理论被称为量子色动力学（QCD），它描述了构成质子的夸克和胶子之间的相互作用。胶子是负责传递强力的载力粒子，由两个、三个或更多胶子组成的状态通常被称为“胶球”。
夸克海洋中的胶球。胶子带有色荷，能与同样带有色荷的夸克发生相互作用。夸克就是通过胶子而连接在一起的。| 图片参考来源：Alex Dzierba, Curtis Meyer and Eric Swanson
大多数的质子在高能量的情况下发生碰撞时，会分裂成组成它们的夸克和胶子。然而，其中约有25%的碰撞为弹性碰撞。在弹性碰撞下，质子能保持完整，只是以略微不同的路径出现。这种路径偏差非常微弱，以LHC中为例，200米距离上的偏差约为一毫米。
1973年，理论物理学家为了理解这种“不分裂”的质子碰撞，提出了坡密子（pomeron）和奇数子，这二者并非实实在在的粒子，而是一类状态。坡密子指的是胶子以偶数个数结合在一起的现象；奇数子指的则是胶子以奇数个数结合在一起的现象。换句话说，QCD将坡密子描述为质子在相互作用时交换的偶数个总色荷量为零的胶子；将奇数子描述为质子在相互作用时交换的奇数个（至少3个）胶子。
在过去的实验中，物理学家已经找到了坡密子存在的实验证据，却还没能发现奇数子存在的证据。虽然数十年来，有实验迹象表明奇数子应该存在，但并没有足够确凿的证据证明这一事实。因此证明奇数子的存在，成了实验物理学家面临的一项重大挑战。奇数子的存在与否，也一直停留在理论推测的层面。
在新的研究中，TOTEM合作组通过测量质子-质子（pp）散射，DØ通过测量质子-反质子（pp̄）散射，为奇数子的存在提供了统计显著性为5σ的观测证据。这意味着科学家可以99.999…%地确定发现了奇数子的踪迹。
在低能量情况下，pp散射与pp̄散射的差异是由不同虚介子的交换造成的。当能量为数TeV（1TeV=10¹²eV ）的量级时，质子间的相互作用被视为是纯粹由胶子传递。长期以来，低动量转移和高能量下的弹性散射一直被解释为坡密子的交换。
2018年，TOTEM合作组得到了难以用传统认知来加以解释的高能量碰撞情况下的测量结果。他们发现，似乎在碰撞中发挥作用的不是坡密子，而是交换了一种三胶子物体，或者是交换了含有更多奇数胶子的物体。
图中显示了安装在LHC轨道中的TOTEM的部分装置。| 图片来源：M. Brice/CERN-PHOTO-201609-210-5
这一发现是通过测量一个被称为ρ的参数而得到的。这个参数表示当碰撞质子之间的胶子交换数最小时，弹性散射的振幅的实部和虚部之比。这一结果给科学家带去了希望，虽然它不是对奇数子的直接测量，但也明确地暗示了奇数子这种胶球存在的迹象。
在新研究中，LHC记录了碰撞能量为2.76TeV、7TeV、8TeV和13TeV的pp数据，Tevatron则测量了1.96TeV的pp̄数据。TOTEM和DØ团队的研究认为，奇数子会对pp和pp̄散射做出不同的贡献。通过比较这两个团队的数据，他们得到了支持了这一观点的结果。研究人员表示，这次观测结果的统计意义在5.2-5.7σ范围内，是首个证实奇数子存在的观测测结果。
费米实验室太伏质子加速器的DØ实验。| 图片来源：Fermilab
奇数子是理论物理学家在近半个世纪前对强力所作出的一个可靠预测。虽然几十年来，它一直在躲避科学家的实验搜索，但新的结果最终表明了它的存在。可以说，这一结果探究了量子色动力学的最深层特征，尤其是阐明了胶子之间的相互作用，以及奇数个的胶子可以是“无色的”方面。
其实，除了TOTEM-DØ的研究结果之外，另外一些基于ISR, SPS, Tevatron和LHC的数据的论文，也为奇数子的存在提供了额外证据。现在，相关领域的物理学家希望能通过更多的实验证实这一发现，从而进一步帮助物理学家理解宇宙中的所有物质在最小水平上是如何相互作用的。
#创作团队：
文：小雨
#参考来源：
https://cerncourier.com/a/odderon-discovered/
https://gizmodo.com/physicists-discover-the-elusive-odderon-first-predicte-1846513075
https://research.ku.edu/news/ku-researchers-announce-odderon-observation-hunted-for-50-years-by-particle-physicists
https://cds.cern.ch/record/2745899/files/CERN-EP-2020-236.pdf
https://gizmodo.com/physicists-spot-evidence-of-odderon-first-predicted-in-1822671164
#图片来源：
封面图：岳岳子
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