物理学家预测：周期表之外 夸克摆脱缚态但保持稳定 构成新形式物质

【Technews科技新报】我们知道构成原子核的基本单元为质子与中子，它们又各由 3 个基本粒子“夸克”束缚组成。不过多伦多大学 3 名物理学家团队最近提出一个预测，在当今元素周期表之外，可能会有由“自由流动”的上、下夸克构成的新元素。

夸克是一种基本粒子，为构成物质的基本单元，由夸克形成的复合粒子叫“强子”，强子决定量子数的夸克叫“价夸克”。

强子又分两种：带 3 个价夸克的“重子”，及带一个价夸克和一个反价夸克的“介子”，最常见的重子就是构成原子核的质子和中子，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子则由两个下夸克和一个上夸克组成，在正常条件下为彼此束缚住的三夸克态，无法解离。这也是所有已知重子物质的一大特征，夸克会被强大的力量紧密结合在一起。

但一篇新论文，加拿大多伦多大学的物理学家 Bob Holdom、Jing Ren、Chen Zhang 预测，未来可能会有一种原子量大于 300 的新元素，是由“自由流动”的上夸克与下夸克组成──与组成质子、中子的夸克相同，但新元素的夸克不会如同三胞胎相互束缚，而是在摆脱约束的情况下继续保持稳定，成为周期表之外一种新形式物质。

由 2 个上夸克、1 个下夸克构成的质子。（Source：By Jacek rybak [CC BY-SA 4.0], from Wikimedia Commons）

类似想法并不是第一次提出，30 年前，曾被一些同行誉为爱因斯坦后继者的美国犹太裔物理学家爱德华?维腾（Edward Witten）就提出这种观点：由自由流动的上夸克、下夸克及奇夸克所构成的“奇异物质”（strange matter），将能在足够压力下保持最低能态与稳定，比如中子星的核心──但维腾的想法在当时被驳斥。

之后，物理学家几十年来试图寻找由上夸克、下夸克及奇夸克构成的奇异夸克物质（strange quark matter，SQM），多伦多大学团队现在进一步健全这个观点，但差别在于他们认为搜索目标可能错了。新论文数学计算指出，就算没有奇夸克，只靠几乎无质量的上夸克和下夸克也能组合出比目前周期表中最重元素还要重的质量，而这种新物质可能存在于中子星内部。

元素周期表最尾端，有一个刚于 2016 年经人工合成的超重元素 Oganesson（Og），是包含了 118 个质子（原子序 118）但原子量不到 300 的怪物，也是第 7 周期中最后一个元素，其原子序数和原子量都是目前所有已发现元素中最高的。

研究人员说，如果具有“上下夸克物质”（up-down quark matter，udQM）特性的元素其最小质量不超过 300，那么或许可以透过融合其他重元素本地球产生一种新形式的稳定物质，成为全新能量来源。

这些重元素究竟长什么样子、行为表现如何还很难说，但可以推测的是，它们应该不太可能遵循一般规则。研究人员未来计划探索地球、甚至宇宙中夸克物质存在的可能性，新论文已发布于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

（首图为原子核示意图，来源：pixabay）