对奇异原子间强相互作用的新见解

这种强烈的相互作用在我们的宇宙中扮演着重要的角色。执行精确测量的困难限制了我们对这种相互作用的理解。位于罗马弗拉斯卡蒂的国家核物理研究所(INFN)的Catalina Curceanu博士正在她的实验室里领导着雄心勃勃的研究和测量强相互作用的新努力。她的团队的工作围绕着一种有趣的物质形式，在这种物质中，普通原子的电子被名为“kaons”的奇异粒子所取代，这可能有助于解释从中子星的组成到质量本身的起源等各种奥秘。

在目前的形式下，粒子物理学的标准模型（SM），我们最佳的自然理论，描述了一个管理我们宇宙的四个基本互动中的三个。它们的最强烈，非常适当，被命名为“强相互作用”，并被“量子色能”（QCD）理论描述。QCD占夸克 - SM的基本粒子之间发生的极其短距离的相互作用。

在SM夸克中，“上夸克”和“下夸克”可以在构成普通原子原子核的质子和中子中找到，这意味着它们基本上是所有物质的基本成分。然而，上夸克和下夸克只是SM六夸克“味道”中的两种，每一种都有对应的反物质。根据QCD的研究，通过强相互作用，这12种基本粒子以不同的方式结合在一起。

总共，这些组合构成了一个名为“Hadrons”的颗粒系列。在20世纪40年代，物理学家首先预测原子中的电子可以用带负电荷的强度代替 - 这通过电磁力结合带正电的核，形成“异国情调”原子。在他们的研究中，Curceanu博士的团队研究了一种特定类型的这些原子如何能够对强烈互动如何运作的重要见解。

与k原子的强相互作用研究
由于强相互作用的范围很短，很难进行实验研究。此外，在相互作用最强的低能量下，人们对它的理解也很差。获得这一信息的一种方法是通过研究奇异的原子，因为它们的能级受到强子内部夸克和原子核内部夸克之间可测量的强相互作用的影响。

在实际应用中，对于最低能级，也就是离原子核最近的能级，强相互作用增加了电磁能级，并改变了能级的能量。同时，能级也被拓宽了，因为强子有一个有限的寿命，被原子核吸收。通过测量由强相互作用引起的最低能级的位移和宽度，研究人员可以了解低能QCD。

为了更好地了解强相互作用，对奇异原子进行了前所未有的精确实验研究。

在奇异的强子原子中，“kaonic”是非常特殊的。在带负电荷的形式下，一个k由一个反物质上夸克和一个更奇特的“奇怪的”夸克组成。“kaonic原子的物理学非常广泛和丰富，”Curceanu博士解释道:“最轻的kaonic原子是唯一的‘实验室’，在那里可以测量到最低能量(实际上是在阈值)的kaons和核子之间的强相互作用。因此，它们允许我们提取所有模型和理论的关键成分，处理核力理论，QCD。”

实验室里的Kaonic原子
几十年来，世界各地的物理学家不懈的努力使他们能够创造和研究最轻的kaonic原子，如kaonic氢和氦。这个过程首先涉及kaon光束的可用性，比如意大利DAΦNE对撞机的那种;以及KEK和J-PARC在日本的设施。

释放的kaons被减慢，并被一个专用目标内的原子捕获，取代电子。因为一个k原子大约比一个电子重1000倍，所以它被捕获在一个高度激发态的k原子中。奇异的原子将启动一个去激发过程，通过发射x射线朝向它的“基态”。由于基态受到强相互作用的影响，x射线的能量将在接近阈值时“测量”kaonic原子中kaons和原子核之间的强相互作用。

通过测量这些x射线，Curceanu博士和她的同事可以精确地测量强相互作用，并为低能QCD提供必要的输入。因此，总的来说，kaonic原子可以让物理学家从整体上获得对强相互作用的显著改进的理解。

对k原子的测量提出了挑战
在进行这些测量时，研究人员必须处理具有挑战性的问题。与许多物理学实验一样，当k原子在量子态间跳跃时所发射的x射线的观测被不需要的“背景”x射线所阻碍，而这些x射线与k原子的跃迁无关。

多亏了最新的技术进步，物理学家们最近已经克服了这一障碍，正如Curceanu博士描述的那样:“对kaonic原子的实验精确研究具有难以置信的挑战性。”“主要的挑战是在大背景下检测微弱信号的必要性。提高信号与背景比要求，一方面，使用具有优秀定时和触发能力的新型大面积探测器，另一方面，使用极冷的气体目标，这避免了信号的强烈减弱。”

这些改进现在已经应用于DAΦNE和J-PARC设施的仪器。这是第一次，他们允许研究人员对从k原子氢的基态到k原子氦的两种同位素的第一激发态的几个跃迁进行精确测量。

该小组的实验有助于对中子星的结构和质量产生机制获得新的见解。

从恒星到粒子质量:对广泛奥秘的解释
Curceanu团队和同事博士的工作很有希望为在物理学中的各个地区提供新的答案，其中强烈的互动发挥着重要作用。也许这些最令人兴奋的涉及中子恒星 - 过去的巨星的核心，它已经崩溃，形成了几乎不想到的高密度的快速纺丝体。从我们对这些神秘结构的有限了解，它们似乎由主要中子组成，但也可能包含由奇怪夸克的重要。这意味着涉及奇怪物质的强烈相互作用，例如卡恩可能在其结构中起着重要作用，受到适用于高速原子的相同QCD规则的重要作用。

另一方面，该团队的实验可能会对物质最初为什么有质量有新的见解。Curceanu博士解释说:“对低能QCD的奇异性的更好的理解有助于揭示‘手性对称破缺’的机制，它提供了宇宙中几乎所有可见物质的质量。”“对Kaonic原子的研究是更全面理解基本理论的关键，这些基本理论描述了粒子如何相互作用，如何产生原子核和恒星。”

提高我们对QCD的理解
In their future studies, Dr Curceanu’s team and colleagues now plan to create and study kaonic atoms from deuterium – in which the proton in a hydrogen nucleus is joined by an extra neutron, within the SIDDHARTA-2 experiment at DAΦNE and E57 at J-PARC. This more complex situation will reveal yet more complex aspects of low-energy QCD as the kaon moves into its ground state. This future work will allow the researchers to explore the properties and constraints of the strong interaction in intricate detail, and will benefit from increasingly sophisticated measurements as technology advances. As Dr Curceanu concludes, “the future of this sector will further boost a deeper understanding of ‘strangeness physics’ in QCD, with implications from particle and nuclear physics to astrophysics, leading to a better knowledge of the way in which nature works.”