在每個原子的深處，潛藏著一個不安的世界，裡面充滿了夸克和膠子——這些微小的基本粒子維繫著一切，從岩石到星星。數十年來，物理學家一直在努力理解這些粒子的行為，特別是在極端條件下的表現。麻省理工學院的實驗物理學家Gian Michele Innocenti表示：「我們需要了解這些膠子在極端條件下的行為，因為膠子是宇宙的基石，而目前，光核相互作用是研究膠子行為的最佳方法。」
現在，通過大型強子對撞機（LHC），Innocenti和他的團隊找到了探索這個隱秘世界的新方法——不是通過劇烈的碰撞，而是通過近距離擦身而過的事件。他們專注於粒子之間幾乎擦肩而過的瞬間，這些瞬間曾經被認為是背景噪音，如今卻揭示了強核力的新行為，這是將物質結合在一起的基本力量。這一發現可能會改變科學家研究核物質的方式，並為理解宇宙的基本結構鋪平道路。
粒子加速器如LHC通常通過發射接近光速的粒子束並進行碰撞來運作，這些碰撞會產生大量的小粒子，科學家會分析這些粒子以重建原子的內部結構。然而，隨著這些正面碰撞，粒子還會產生一種不斷流動的近距離擦身事件。當快速移動的粒子彼此靠近時，它們會被壓扁的電磁場包圍——像隱形的能量煎餅一樣。這些場會產生極具能量的光子（光的粒子），偶爾，這些光子會擊中附近的原子核，這種相互作用被稱為光核相互作用。多年來，科學家們忽略了這些事件，因為它們稀少且埋藏在大量的碰撞數據中。
麻省理工學院的團隊決定反其道而行之，將這些近距離擦身事件視為信號而非噪音。為了讓這項工作得以進行，研究人員首先模擬了這些光核事件的外觀。他們專注於一個非常特定的結果：D 0 介子（D meson）的產生，這是一種包含稀有魅力夸克的粒子。魅力夸克通常不會出現在日常物質中，只有在高能條件下才會出現，這使它們成為探測核內部結構的絕佳工具。
接下來，團隊開發了一種特殊的算法，可以實時掃描數十億次粒子碰撞，並挑選出少數稀有情況，即光子擊中核並產生D 0介子的情況。他們將這一系統實施在緊湊μ子探測器（CMS）上，這是該對撞機最大的探測器之一。然而，即便是這樣先進的探測器，挑選這些稀有的擦身事件仍然是一項艱巨的任務。Innocenti表示：「我們必須收集數百億次碰撞，以提取幾百次這些稀有的情況，其中光子擊中核並產生這些異國情調的D 0介子粒子。」
通過研究產生的D 0介子的能量、方向和數量，研究人員可以逆向估算膠子（將夸克結合在一起的粒子）在核內的分佈。他們的發現令人驚訝。當核物質被緊密包裝並以極高速度運動時，膠子開始以不尋常的方式行為。這確認了對高密度核物質的長期預測，更重要的是，這證明了這種新方法確實可以測量這些效應。
這項研究對物理學有廣泛的影響。理解膠子的行為至關重要，因為它們主導著強力。對這種力量的更清晰描述可能會改善從核反應到大爆炸後早期宇宙的各種理論。Innocenti補充道：「強力的描述是我們在自然界中所見一切的基礎。現在我們有了一種方法，可以完全確認或顯示該描述的偏差。」
這一方法還提供了一種比傳統碰撞方法更乾淨、更精確的研究核結構的方式。通過利用光核相互作用，科學家可以在不進行完全粒子碰撞的情況下探測物質。然而，這些事件仍然非常稀少，需要大量的數據集和高度精緻的檢測技術。目前的測量精度仍然不足以全面映射膠子在所有條件下的行為。這正是研究人員接下來計劃做的。通過改進他們的算法和收集更多數據，團隊希望改善他們的測量，並可能揭示與現有理論的偏差。如果發現這種偏差，可能會指向超出現有科學理解的新物理現象。該研究已發表在《物理評論快報》上。
