原子核:物理学、化学、生物学术语-中文百科频道

基本介绍

简介

原子核（atomic nucleus）位于原子的核心部分，占了99.96%以上原子的质量，与周围围绕的电子组成原子。原子核由质子和中子构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是则由两个下夸克和一个上夸克组成。原子核极小，它的直径在10-15m至10-14m之间，体积只占原子体积的几千亿分之一。如果将原子比作地球，那么原子核相当于棒球场大小，而核内的夸克及电子只相当于棒球大小。原子核的密度极大，约为1017kg/m3。原子核内部结构可由核壳层模型部分描述，当质子或核子分别从各自最低壳层向上填充时，若正好填满某一个壳层，则称为质子或中子幻数，此时的核称为幻核。

构成原子核的质子和中子之间存在介子，以传递原子核内巨大的吸引力-强力，强力比电磁力强137倍，故能克服质子之间所带正电荷的电磁斥力而结合成原子核。原子核的能量极大，当原子核发生裂变（重原子核分裂为两个或更多的核）或聚变（轻原子核相遇时结合成为重核）时，会释放出巨大的原子核能，即原子能（例如核能发电）。质子和中子及介子由价夸克（组分夸克）及海夸克（流夸克）组成，夸克亦有层层（壳）结构，外层为横向连接的价夸克，内层为纵向叠加的诲夸克，而外层为3个横向连接的束缚态价夸克。价夸克按比例（2个上型夸克带+2/3电荷，1个下型夸克带-1/3电荷）分掉质子（或3夸克超子）内的整数电荷，故夸克带分数电荷。纵向叠加的海夸克正负电荷相抵=零，原子内带正电荷的质子与带负电荷的电子数量相同，故整个原子呈电中性。

本质

1912年英国科学家卢瑟福根据α粒子轰击金箔的实验中，绝大多数α粒子仍沿原方向前进，少数α粒子由于撞击到了电子发生较大偏转，个别α粒子偏转超过了90°，有的α粒子由于撞上原子核所以偏转方向甚至接近180°。该试验事实确认了：原子内含有一个体积小而质量大的带正电的中心，这就是原子核模型的来历。

相互作用

核子之间的核力，是一种比电磁作用大得多的相互作用。原子半径很小，质子间库仑斥力很大，但原子核却很稳定。所以原子核里质子间的除了库仑斥力外还有核力。只有在2.0×10^-15米的短距离内才能起到作用。

质子和质子之间、质子和中子之间、中子和中子之间都存在。

电荷

卢瑟福实验

卢瑟福用一束α射线轰击金属薄膜，发现有少部分α粒子大角度改变运动方向，并在此基础上提出了行星式原子结构模型：原子中存在一个带正电的核心，即原子核。

卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验，实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性，实验结果却成了否定汤姆逊原子模型的有力证据。在此基础上，卢瑟福提出了原子核式结构模型。

为了要考察原子内部的结构，必须寻找一种能射到原子内部的试探粒子，这种粒子就是从天然放射性物质中放射出的α粒子。卢瑟福和他的助手用α粒子轰击金箔来进行实验，如图是这个实验装置的示意图。

在一个铅盒里放有少量的放射性元素钋（Po），它发出的α射线从铅盒的小孔射出，形成一束很细的射线射到金箔上。当α粒子穿过金箔后，射到荧光屏上产生一个个的闪光点，这些闪光点可用显微镜来观察。为了避免α粒子和空气中的原子碰撞而影响实验结果，整个装置放在一个抽成真空的容器内，带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上移动。

实验结论

原子是电中性的，核带有的正电荷等于核外电子的总负电荷。对原子序数为Z的原子，核带正电+Ze。核的电荷数是一个严格的整数，它等于核内的质子数。质子带正电+e，与电子的电量相等。

自由度

π介子自由度

在建立互作用玻色子模型的同时，核结构理论又从核内非核子自由度的研究中得到了新的进展。以核集体模型为代表的广义核壳层模型尽管取得了一定的成功，但毕竟还有一定的局限性。首先，这些模型都只是从部分实验事实或观测现象出发，从某个侧面用类比方法反映核子系统的机制。此外，在核反应理论中，所引入的可调参数又太多。可调参数越多，说明这个理论离成熟性与完整性越远。再加上现有的各种核模型间缺乏统一的内在联系，它们不是一个包容另一个，而是彼此独立，相互间关联甚少。追究起来，存在这些问题的原因是对核多体系统的认识有关。按传统认识，核内的核子只是一个无结构的点，核仅由这些被当作为点的核子组成，即原子核只存在有核子自由度，核子之间的作用单纯为两点间的作用。事实上，早在30年代，有人就预言了核内存在有非核子的自由度。

1932年，查德威克发现了原子核内除了质子外，还有中子以后，很快地，海森伯就提出原子核是由质子和中子组成的。然而是什么力把它们紧紧地约束在核中呢？1935年，汤川秀树发表了核力的介子场理论，他认为π介子是核力的媒介，并参与β衰变，同时提出了核力场方程及核力的势。根据这一理论，质子和中子通过交换π介子互相转化。1947年，π介子在宇宙射线中被发现。由于在核力理论中预言π介子的存在，汤川秀树获得了1949年诺贝尔物理学奖。

随着粒子物理学的发展，人们逐渐发现，在原子核内，除了传统的质子、中子自由度以外，还有更多的自由度，它们包括：π介子自由度、ρ介子自由度以及各种核子的共振态△、σ粒子自由度、核内夸克自由度和核内色激发自由度等，情况远比人们对核的传统认识复杂。对这些自由度的研究极大地丰富了原子核物理学的基本内容。

夸克自由度

从40年代末到50年代初，随着世界上各大型加速器的投入运行，粒子物理逐渐从核物理中分化了出来。上世纪60年代以后，粒子物理取得了一系列令人瞩目的进展。例如，在70年代初，格拉肖、萨拉姆和温伯格将弱、电相互作用统一在SU（2）×U（1）对称群的规范理论之中，并从多方面得到了实验上的直接和间接的证实。粒子物理的另一个著名成就是夸克模型和量子色动力学的建立。根据微观世界中的对称性，不仅可以对强子进行分类，而且还对强子内部结构的认识提供了有效的途径。低能强子按SU（3）对称群分类，这些强子的基本构件，也是SU（3）对称群的基础就是夸克，包括u夸克、d夸克和s夸克。为使强子满足自然界普遍遵守的自旋与统计性关系，每种夸克还有3种不同的色，色相互作用是强相互作用的起源，而传递色相互作用的8个媒介子就称为胶子。实质上，强相互作用理论即为SU（3）色对称群的规范理论，称为量子色动力学（QCD）。根据夸克模型，原子核的核子应由3个价夸克以及称为海夸克的虚夸克-反夸克对胶子组成，而传递核子相互作用的介子应由价夸克、价反夸克和海夸克、胶子组成。这种物质结构的新观点启发人们思索，核内的核子处于核的“环境”之中，它们到底与自由核子有什么区别？核“环境”对核子有什么影响？核内的夸克和胶子的分布如何？它们都参与什么作用？……这一系列问题都将与核内夸克自由度等的非核子自由度有关，这些问题已成为当今核物理发展的关键。

目前还不能严格地用量子色动力学描述原子核这样的多夸克系统，考虑到可能存在夸克自由度，有人提出了一个更为大胆的简化核模型。这一模型从夸克和它们之间的相互作用力出发，采用类似传统的独立粒子壳层模型的方法来解释原子核的各种性质。在考虑夸克间相互作用时，这一模型假定存在有“对力”，而不考虑夸克的禁闭性质。根据这一模型，夸克的色自由度使每个壳层上容许的夸克数恰好与传统壳层模型每个壳层上的核子数相同，这使人们想到，在原子核内的夸克存在有自由度，它们可能不像在自由核子中那样禁闭，那么原子核内的夸克究竟有多大的几率跑出核内的核子之外？原子核内的夸克自由度能否表现出来？在对这些关键问题的研究中，核物理与粒子物理两大学科又重新走到一起，而趋于汇合之中。

EMC效应

传统的原子核的质子-中子模型在描述低能核现象时都十分成功，这表明，要发现核内的夸克效应或其它非核子自由度应该到高能核现象中去寻找。此外，根据标准模型预言，原子核是由若干核子、介子组合的集合系统，而核子、介子又都是通过胶子相互作用的夸克系统，核子在核内不停地运动，又会由于核子间的重叠形成夸克集团，这样一来，核内核子的性质，如大小、质量等，一定与自由核子不同，例如会稍微膨胀而变“胖”和有效质量变小等。此外，禁闭在核内核子中的夸克密度分布也会与自由核子的不同。这些都是由于夸克自由度带来的影响，称之为夸克效应。

寻求核内夸克效应的最直接和有效的方法就是用“探针”探测。这种“探针”就是能量极高的入射粒子。入射粒子的能量越高，它的德市洛意波长越短，分辨核内微小尺度的能力越强。此外，最好采用电子和μ子等非强子作探针，以避免强相互作用干扰，因为至今对强相互作用的了解不如电磁相互作用那样清楚。对于实验的结果，有人预计，当用能量高达几个京电子伏的高能轻子打入核内时，它们与核内夸克相互作用而散射，通过对散射粒子的能量、动量和散射角分布的测量，探知核内夸克的动量分布，即核子的结构函数。而另一些人则认为，原子核只是一个质子-中子构成的弱束缚体系，对于高达几个京电子伏的高能过程，这种弱的束缚不会起什么作用，核的“环境”影响不能显示出来，在自由核子靶上以及在原子核内核子靶上，测量这种结构常数不会显示什么差异。然而实验的结果，却大大出乎后一些人的预料。

1982年，在欧洲粒子物理研究中心，由来自17个国家和地区的89位高能物理学家，组成了欧洲μ子实验合作组（EMC组），进行了带电轻子深度非弹性散射实验。他们使用的高能轻子为电子、μ子和中微子，轻子与核子间传递的能量高达几个到几十个GeV，这一实验结果发表在《物理通讯》杂志上①。实验得到了铁原子核结构函数与氘核结构函数的比值，发现这一比值是夸克动量与核子平均动量比值x的函数，当x在一定的范围（布约肯区）内时，这个比值为0.05～0.8，且呈一定规律随x变化。这个结果很重要，因为如果认为核内的核子仍保持自由核子的性质，这个比值应为1，比值偏离1的实验结果表明，原子核内的核子包含了较多的低能夸克。尽管核子在核内的束缚很弱，周围核物质的存在依然明显地影响到束缚在核内夸克的动量分布。面对这一实验事实，人们不得不改变原来的看法，这一结果由此得名为“EMC效应”。随后，EMC效应陆续被美国斯坦福直线加速器、德国的电子同步加速器及世界上其它几个大加速器的实验证实。

EMC效应的发现引起了世界性的轰动，这不是偶然的。它像科学史上许多其它重要发现一样，不是“先验的理论”，而是实验事实强迫人们去接受一种新的观念，这就是原子核内核子的亚结构与一般自由核子的亚结构有明显的不同。这里值得提起一个反面的例子，如果人们不是被一些“先验的理论”所束缚，本该更提早十几年发现EMC效应。在70年代初，在斯坦福直线加速器实验室(SLAC)就有一个用高能电子测量核子结构函数的研究组。他们以液氢与液氘为靶，得到了核中质子和中子的结构函数。因为用来盛液氢、液氘的容器是钢和铝的，为消除本底的影响，他们又进行了容器的空靶测量，这样就掌握了钢和铝靶的结构函数，却不曾想到与自由核子的结果相比较。EMC效应的结果发表以后，他们把十几年前依然保存完好的数据重新计算分析，他们自己戏称这是“做了一次‘考古学’的研究”。其结果确实充满戏剧性，两次研究一前一后时隔十几年，对不同的探测粒子、不同能区做了测量，竟然得出完全一致的结果。这一事实不仅再一次令人信服地证实了EMC效应的存在，还使人们冷静地看到，SLAC小组先于十几年得到实验的全部数据，却未能成为EMC效应的发现人，这不能不说明，对于那些已被广泛接受却未经实验事实证实的“先验理论”，确有必要重新检验。1988年，EMC组又在极小的布约肯区(0.003≤x≤0.2)对不同的核(12C、46Ca、73Cu、56Fe、119Sn)进行了测量。结果发现，在0≤x<0.1时，结构函数比值小于1，有明显的遮蔽现象；而在0.1≤x≤0.2时，结构函数比值大于或等于1，有较弱的反遮蔽现象，而且遮蔽现象随不同的核而不同①。伯格(E.L.Berger)等人对这一现象做出了解释②。他们先从传统的核子-介子模型出发，同时考虑了核子的费密运动修正，认为遮蔽现象来源于核子造成的“影子”，即入射粒子“看不到”处于“影子”中的核子。根据这一解释，遮蔽现象本应该随着入射高能轻子转移给靶核动量的增大而迅速地减小，以至消失，然而实验现象却与这种估计相反。这表明，EMC效应使传统的核子-介子模型出现了困难，原子核并非简单的核子的集合，即使引入了核子运动的费密修正，核内的夸克分布也与自由核子不同，这就迫使人们不得不考虑夸克自由度的问题。

根据量子色动力学，夸克的相互作用性质与核力、电磁力及引力性质完全相反。在强子内，夸克间距离很小时，它们几乎相互没有作用，行为像无相互作用的自由粒子，然而随着夸克间距离的加大，禁闭势垒急剧增高，夸克像是被禁闭在强子的内部。EMC效应的发现使人们想到，禁闭在核“环境”中核子内的夸克自由度可能比自由核子内的夸克自由度大，在核“环境”中，核子内的夸克将有可能以某种几率跑到核子之外，甚至从一个束缚核子中“渗透”出来，再进入另一个束缚核子之中，两个相互靠得较近的核子会以一定的几率彼此“融合”，使核子自身膨胀起来，核子会因这种膨胀而变“胖”，随之有效质量减小。核内核物质密度越大，核子重叠机会越多，夸克禁闭长度增加就越大，这一效应就越明显。对EMC效应的这一解释先后由卡尔森(E.E.Carlson)①及克洛斯(F.E.Close)②等人给出，他们的解释与1988年EMC协作组的实验结果取得了大部分的一致。

形态探索

简述

迄今为止，已发现的稳定原子核265种，60种天然放射性核，人工合成有2400种核，然而在核素图上，由中子滴落线、质子滴落线及自裂变半衰期大于1μs的限制边界内所包围的核素应有8000余种，这表明有一大半核尚未被人们认识。根据目前的情况，考虑到可能的生成与鉴别方法，估计还可能被生成或鉴别600种左右的新核素，它们是世界各地有关实验室不惜耗费重金搜索的目标。

然而，随着远离β稳定线，未知新核素的生成截面也越来越小，寿命越来越短，使分离、生成和鉴别的难度越来越大。远离稳定线原子核研究在核物理学中占有特殊重要的地位。首先，这些核素具有一系列独特的性质，例如它们的中子、质子数之比异常，有的核结合能极大，有新的衰变方式，如高能β衰变、β延迟粒子发射、β延迟衰变、表面结团结构、形状共存以及中子滴落线附近核的反常大半径等。对这些独特现象的研究，有助于检验和发展现有的原子核理论。此外，现有的核结构模型，大部分是在β稳定线附近几百种核研究基础上建立起来的，如液滴模型、独立粒子核壳层模型、核集体模型等，它们都有待在远β稳定线的原子核研究中得到检验、深化与发展。随着新核素的生成与鉴别，以及随着对它们的衰变性质及核结构的研究，会不断地有新的现象被揭示，人们对核内部的结构以及运动规律的认识也将不断地深化。此外通过对远离β稳定线原子核的研究，还可能找到某些新的同位素和核燃料，为核能与核技术的应用提供新的能源。总之，核物质新形态的研究是一个十分广阔而又值得探索的新领域，这一领域中的任何新的进展都将能推动与它有关的原子物理、天体物理、核化学以及放射化学的进展。

在核物质新形态探索中，带有重要影响的有重离子核物理、极端条件下原子核以及夸克-胶子等离子体的研究。

重离子核物理

这是近30年来，在核物理学研究中一个十分活跃又是极具有生命力的前沿领域。在本世纪50年代以前，人们在研究原子核的结构与变化时，只是利用质量小的轻离子，如氦核、氘核、质子、中子、电子和γ射线等轰击原子核，这一研究已取得了多方面的成果。从50年代到60年代中期，随着加速粒子能力的提高，人们开始使用高能碳、氮、氧核去轰击原子核，主要进行的是弹性散射与少数核子转移反应。从60到80年代，重离子核反应开始逐步成为获得人工超钔元素的主要手段。近20年来，大约以每年发现30～40种新核素的速度发展着。1982年5月11日，美国劳仑斯-伯克利实验室(LBL)第一次成功地获得了地球上天然存在的最重元素铀的裸原子核，并将其加速到每个核子147.7MeV的能量，整个铀238离子的总能量达到35GeV。在这个能量上，离子速度达到了光速的二分之一。LBL的这一创举，不仅开创了相对论重离子物理学，而且使核物理的研究跨入一个以前无法触及的新领域，在这个新领域中，一些激动人心的奇特现象引起了物理界的高度重视。LBL得到的高能铀离子是由一台称为贝瓦莱克(Bevalac)的加速装置获得的。这台加速装置由两部分组成。一部分是高能质子同步加速器，它只能把质子加速到10亿电子伏，是40多年前建成，如今早已废弃不用的老加速器，把它配了离子源和注入器，作为第一级加速器使用；另一部分是重离子加速器。通常，重原子的内层电子由于强库仑作用，被紧紧地束缚在原子核外的内层，Bevalac先使铀原子部分电离，形成带少量正电荷的铀离子。然后，令其加速，当铀离子的速度超过核外电子的轨道速度时，使铀离子穿过某种金属膜，就会有相当多的电子被“剥离”，而形成带较多正电荷的铀离子，例如U68+。再使U68+继续加速，再使其通过聚酯树脂薄膜，得到U80+和U81+的离子混合物，最后再经过一层厚的钽膜，全部电子均被“剥”净，从而得到了绝大多数的裸铀核。

应用高能重离子可以研究核裂变的异常行为。在一般的原子核中，库仑力与核力起着相互制约的作用。若核力较强，原子核比较稳定；若库仑力较强，核就容易裂变。由于中子只参与核力作用，似乎增加中子数可保持核的稳定，然而，核力的力程极短，随着距离增加，核力急剧下降，使原子有一个极限尺寸，超过这个极限，原子核将不能束缚更多的中子。可裂变的铀核正处于核力与库仑力相抗衡的状态，它们稍微受到接触就会裂解，之后，库仑力占优势，使核裂片互相分离。在Bevalac中产生的相对论性高速铀核就可以用来研究高能下核裂变行为。果然，把高能裸核注入乳胶探测器中，通过对径迹分析发现，铀核与探测器物质原子核相撞，出现了一系列奇特现象。例如，在152个碰撞事例中，有半数事例的铀核分裂成大小相差不多的两块，另外半数事件却分裂成数块，甚至在18%的事例中，铀核被撞击粉碎，而且入射能量越高，这种粉碎的事例越多，这类事件是高能核裂变的一种反常行为。

重离子研究

(1)探索夸克-胶子等离子体(QGP)

相对论重离子物理学是近年来发展较快的核物理前沿领域，也是今后若干年内核物理的重要研究方向之一。它主要是研究在极高温度（达到1012K，即太阳中心温度的60000倍）以及极高密度（10倍于正常核物质密度）下，核由强子态向夸克物质态，即夸克-胶子等离子体的相变。这项研究具有极其重要的意义。首先，夸克-胶子等离子体是人们长期以来渴望求到却又难以得到的一种物质形态。夸克-胶子等离子体与一般的电的等离子体不同，在夸克-胶子等离子体中，夸克在强子外是自由的，而整体上又是色中性的。如果说，上一世纪给本世纪留下了两个谜，一个是无绝对的惯性系，一个是波-粒二象性，这两个谜已随着爱因斯坦的相对论及量子力学的建成得以解决，那么，本世纪粒子物理学的发展又使另外两个更深层次的谜，一是对称性破缺，一是夸克禁闭呈现了出来。当前，描述自然界四种基本作用的理论是，描述强相互作用的量子色动力学(QCD)，描述电-弱相互作用的SU(2)×U(1)的模型理论，描述引力作用的广义相对论，这些理论的最终统一将使这两个谜获得最终解决，而相对论重离子物理研究又直接与这两个谜相关，正因如此，有人称这项研究具有“世纪性的地位”。当两束高能重离子相撞时，虽然在极短的时间内，离子之间无重子分布，是一种物理真空区域，但是它却比一般的真空能量密度高得多，因而是研究真空激发态的理想区域。这时物质的有效质量为零，手征对称性得以恢复。此外，又根据核的相变理论，在正常温度和正常密度ρN条件下，一般核物质处于正常核态；但当密度达到2ρN时，可能出现π凝聚，这是核物质具有较高秩序的状态，类似晶体点阵排列的原子；当密度达到5ρN左右，单个核子产生许多新的激发能级，核变为激发态的强子物质；若再进一步压缩核物质，使密度达到10ρN左右，核由强子激发态继续发生相变，此时出现解除夸克禁闭，夸克跑出核子外，在比核子大得多的范围内自由运动。此时，夸克与夸克间相互作用粒子组成夸克-胶子等离子体(QGP)。虽然这种理论分析尚有许多不确定因素，却引起了许多人的兴趣。人们一致认为，高能重离子反应是实现这一相变的最有希望的途径。有人估计，要实现普通核的非禁闭相变，核碰撞质心能量要达到100GeV/N。预计在1996年建成的美国布鲁克海汶国家实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)将能满足这一要求。

(2)格点规范场理论对相变条件的预言

为探索夸克-胶子等离子体，首先应从理论上估计核物质由强子态向夸克-等离子体相变发生的条件。先从核物质密度与强子密度之差估算相变所需要的能量。其结果是，当核密度提高到正常态的4倍时，相变即可实施。然而这种方法仅只是一种估算，精确的方法应采用格点规范理论。在强子尺度的小范围内，研究夸克的物质运动规律时，量子色动力学采用了微扰展开的方法，这种微扰法取得了很大的成功。但是在大于强子的尺度上，夸克-胶子的等效相互作用强度并不小，由于交换动量的结果，使夸克-胶子体系产生了各种非微扰量，原来的微扰法不再适用。在强相互作用中，这种非微扰效应表现在多方面。从粒子的质量看，质子的质量恰好是938MeV，△粒子的质量是1236MeV，π0介子质量是135MeV，为什么它们恰好是上述值，这实际上就是一种由非微扰效应产生的结果。此外，粒子的寿命、衰变现象、零点波函数、磁矩、结构函数甚至真空结构等，也都是夸克-胶子在大距离上的作用效应，也属于非微扰效应产生的结果。这些现象与非微扰效应的关系，是粒子物理学中十分重要而又未被完全开发的领域。1974年，美国康奈尔大学的威尔逊(K.G.Welson)提出了格点规范场理论，用以解释非微扰现象。其作法是，先设法在4维时空中取一系列等间隔的格点，连续的时空被一系列离散的格点所代替。他规定，胶子规范场只在格点间的键上起作用，而夸克费窑场则定义在格点上。由上述场量组成的格点作用量具有规范不变性。当格点间的距离趋于零时，格点作用量趋于原有的量子色动力学作用量，格点规范理论趋于连续时空的规范理论，与连续时空的渐近自由相对应。下一步做法是，先在格点体系中计算各个物理量，然后再把格点间距趋于零，就可望得到真正的物理量，特别是那些非微扰量了。

事实上，微观世界中的微扰量与非微扰量本是人为地划分出来的。当认识水平未达到一定的层次时，先讨论微扰量只是一种对复杂事物的简单处理方法。格点规范场理论的建立表明，人的认识水平又向更高层次迈进了一步。此外，由于粒子物理与统计物理的研究对象都是有无穷多自由度的体系，格点微扰理论把它们之间的相似性突出地表现了出来。然而，格点规范理论的计算是很复杂的，因为每个格点有四个正方向共四个键，在SU(3)规范不变条件下，每个键有8个独立变量，每个格点又有正反夸克场，每个夸克场有4个Dirac分量，有三种色，至少有四种味，这样一来，对于每边有16个格点的四维立方体，就有200万个独立变量。由于系统复杂，目前尚不能使用解析方法求解。但是由于理论的规范不变性，使讨论对象具有群积分的性质，可以用数值计算方法计算。1981年，帕瑞西等人利用布鲁克海汶国家实验室的大型计算机，使用抽样计数方法，即蒙特卡罗数值计算法，计算了这些群积分，不仅首次得到了π介子、质子、△粒子等强子的质量，而且还得到了π介子衰变常数以及标志手征对称性自发破缺不为零的数值。以后，又有人用同样方法计算出更有意义的结果，例如证实了两个重夸克之间的位势随距离的增加，呈现由库仑位势向线性位势的变化。这一结果证明了夸克之间距离加大时，存在有越来越大的作用力，结果使它们“禁闭”起来（渐近自由）。计算结果还显示，温度增加到一定程度，即高能粒子互撞时，夸克的自由能突然加大。这表明，在高能散射中，它们有可能从“禁闭”中被“解放”出来，相变的临界温度为200MeV、密度为正常核密度的5倍以上，达到这一条件相变即有可能发生，这一结果确实给人极大的鼓舞。

实验尝试

1986年，欧洲原子核研究中心(CERN)在SPS加速器上首次进行了(60GeV～200GeV)/N的氧束流冲击重靶的实验，这是一次较为成功的相对论重离子实验。在这以前所做的有关实验，如CERN的p-p，α-α实验；费密实验室的p-p实验，虽然能量很高，但由于碰撞粒子的质量太轻，高能密度聚集的范围太小，而LBL的Bevalac上做的Kr束打靶实验，虽然粒子足够重，但每个核子的能量只有1.8GeV，这个值又太低，使碰撞区的温度不够高。还有的虽然能量足够高，但实验的统计性又太差，事例数太少，都未能获得成功。

在CERN的这次成功实验中，发现了人们所期待的“J/ψ抑制效应”，它是QGP存在的迹象之一。根据理论分析，J/ψ粒子有三种衰变方式，它可能衰变成两个电子，e+和e-；还可能衰变成两个μ子，μ+和μ-；或者衰变成强子。在高能碰撞中，强子也可能产生J/ψ粒子。J/ψ粒子可以看作由c和粒子组成，自由的c对存在有束缚态。当有QGP产生时，由于德拜屏蔽效应的存在，会抑制c束缚态的出现，因而不能组成J/ψ粒子，或者说J/ψ中产生的几率下降，于是J/ψ中粒子产额抑制现象常被当作为QGP出现的信号。

CERN使用的是200GeV/N的32S打击238U，所形成的体系可能是发射π介子和K介子，也可能发射J/ψ粒子，J/ψ粒子又可能再衰变，通过衰变粒子，如μ+和μ-，来判断J/ψ粒子的产额。在碰撞区形成一团火球，边缘地区的J/ψ粒子产额竟然是火球中心的1.6倍，由此判定，碰撞中心出现了J/ψ抑制，即有产生QGP的迹象。

另一个显示出现QGP迹象的实验是在美国布鲁克海汶国家实验室进行的，这是测定K+/π+比例的实验。他们使用了14.5GeV/N的28Si束打击Au靶，观测K+与π+产额之比，并与质子对撞情况相比较。他们认为，如果有QGP产生，π+、K-和π+产额将减少，至多是不变，而K+的产额却要增加，这样一来，有QGP时，K+/π+产额比值应加大。他们的实验结果是：28Si打击Au后，K+/π+产额比值由质子对撞时的0.07上升为0.20，而K-/π-的比值则与质子对撞时一样。

重离子对撞实验是很复杂的。根据理论计算，在现有的条件下，对撞区的温度可达到200MeV左右，这个温度在相变临界温度附近，所形成的火球的横向半径大约有4.3～8.1fm，径向半径约有2.6～5.6fm。一个碰撞事例往往可以产生500个以上的次级粒子，处理这样复杂的事例以及处理如此大量的特征信号是件极为困难的事，因此，通过上述特征估计QGP的形成仍只是一种试探。即使如此，由于理论物理学家已给出相变存在的可能性，也由于实验物理学家又较成功地处理了如此复杂的反应事例，还由于相对论重离子碰撞实验已达到了理论预言的能区，更由于这项研究目标所具有的深远的意义，这一切都使得夸克-胶子等离子体的研究成为核物理学前沿的热点课题之一。