每分钟数十亿次，大型强子对撞机（LHC）将质子粉碎在一起，释放出能量的漩涡，结晶成更多的质子、中子和不太熟悉的核粒子表亲。一些粒子在逃离场景时会相遇。接下来会发生什么——无论是给定的一对拉在一起还是推开——物理学家通常无法确定。
理论家们在50多年前就研究出了质子和中子内部的粒子是如何活动的。但这些被称为夸克的粒子从来不会单独出现，而来之不易的夸克力理论——强大的力——无法预测夸克群的行为，夸克群实际上是构成我们身体的物体，出现在粒子对撞机中。
慕尼黑工业大学的物理学家Laura Fabbietti说：“这是，如果你想要的话，核物理学的前沿，”从第一原理理解[这些]相互作用。
经过几十年的工作，监视“强子”——由多个夸克组成的粒子——的强大方法终于成熟了。超级计算机现在可以计算某些数字强子之间的作用力。大型强子对撞机的研究人员正在开创一种新方法，称为飞秒镜，可以直接探测强子引起的短暂强子之间的震动。这项研究揭示了大自然最不可思议的力量的新方面。
femtoscopy的开发者之一法比埃蒂说，“突然之间，我们可以第一次测试任何强子对之间的强相互作用”。
自20世纪30年代以来，原子核一直在挑战物理学家，当时该领域的领导者包括恩里科·费米和维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）都在努力调和一些奇怪的观察结果。一个是原子核甚至存在的事实。以氦原子核为例，两个质子相互依偎在一起，相距仅为几毫微米（十亿分之一米的百万分之一）。在这个距离上，两个正电荷会以20磅的力将原子核击碎。然而，稳定的氦原子比比皆是。电磁控制着原子，但原子核似乎遵循着不同的规则。
1935年，一位相对默默无闻的日本物理学家Yukeki Yukawa偶然发现了核谜题的一个主要部分。
如果某种强大的力量把原子核连在一起，那就是一种奇怪的力量。无质量光子将电磁力带到很远很远的地方，但质子和中子需要紧密接触才能粘住。Yukawa的主要观点是，这种短程效应是由于新力粒子的质量限制了其流动性；他计算出它的重量应该是电子的200倍。1947年，物理学家在宇宙线中发现了π介子或“π介子”，其质量仅比Yukawa预测的大三分之一。两年后，他获得了诺贝尔奖。
他“是第一个预测新粒子存在的人，”日本理研研究所的核物理学家和项目主任河田哲夫说。“那就是粒子物理学的诞生。”
π介子被证明是大量新粒子中的第一个。这种不断增长的群体中的模式使理论家们得出结论，夸克有六种类型，它们紧密结合在一起，总是成群结队地存在。今天，物理学家知道了300多个独特的强子。
20世纪70年代，理论家们研究出了强力是如何控制夸克的——这一理论被称为量子色动力学（quantum chromodynamics，简称QCD）。但令人沮丧的是，它并没有提供所有的答案。
QCD将夸克描述为携带“胶子”的力的交换流，其强度随着距离的增加而增加，就像弹性带中的张力一样。当粒子碰撞在一起时，就像在粒子对撞机中那样，夸克靠得很近，以至于弹性松弛。在这些情况下，QCD工作得很好。但在一般情况下，弹性会伸展并接合，QCD的数学模型就会崩溃。这种限制使得强子的真实行为成为一个谜。
“这是基本粒子物理标准模型中唯一（无法计算的）部分，”东京都会大学的物理学家Tetsuo Hyodo说。
即使没有可解的理论，两种技术也越来越多地帮助物理学家破解粒子的神秘行为。
首先是将问题外包给超级计算机。研究人员按照如下方式建立了一个数字实验室：他们将空间划分为网格，将时间划分为一系列离散的时刻。它们把夸克粘在网格线相交的地方，把胶子粘在它们之间的链环上。然后他们一帧一帧地计算发生了什么，这对于平滑的空间和时间来说是不可能的。
2007年，Hatsuda的研究小组使用这种“晶格QCD”方法，将质子或中子对模拟为更真实的夸克和胶子云，而不是Yukawa式的点。他们证实，当质子或中子相距约一个质子宽度时，它们确实会吸引，就像交换π介子一样。“从某种意义上说，Yukawa是在QCD的基础上得到确认的，”Hatsuda说。该小组还超越了Yukawa的理论，证明了当粒子变得更近时，吸引力会变成排斥力。
最近，该团队一直在进行质子或中子（包含较轻的“上”和“下”夸克）与由三个较重的“奇怪”夸克构成的“欧米茄”强子之间的虚拟相遇。他们在2019年发现，这对强子可以近距离地相互拉扯。在2020年，这项合作计算出一对“lambda”（一个上夸克、一个下夸克和一个重夸克）的引力较弱。这些结果代表了重强子（往往在瞬间衰变）如何相互影响的一些初步线索。
与此同时，大型强子对撞机研究人员已经开始利用爱丽丝实验来追踪真正的强子。质子碰撞产生强子爆发，许多强子会衰变为其他粒子。ALICE研究人员在残骸中寻找想要强子配对的迹象。他们比较了沿着相似路径运动的强子对和沿着不同方向运动的强子对。其目的是揭示附近强子相互吸引或排斥的迹象。这项技术可以检测到一个毫微秒大小的强子抽搐。
“美妙之处在于，你可以将这项技术应用到非常罕见且不稳定的强子上，”法比埃蒂说，他是爱丽丝合作组织内飞秒镜小组的负责人。“通常情况下，没有其他机会让两个粒子相互交谈，看看它们说了什么。”
这项合作于2020年在《自然》杂志上详细介绍了他们的飞秒显微镜检查方法。去年10月，他们公布了一个基本未知的相互作用的测量结果，一个质子和一个phi介子（由一个奇怪的夸克和它的反夸克组成）之间的相互作用。实验主义者通常依靠晶格QCD的理论数据来解释他们的数据，但对phi介子的研究太少，以至于他们不得不回到Yukawa 1935年的理论。
领导数据分析的研究生艾玛·奇扎利（Emma Chizzali）说：“对于质子物理物理来说，什么都没有。”。
ALICE的合作从大约10万对配对中得出结论，彼此接近的质子和phi介子似乎相互吸引。然而，这种引力只有质子和中子之间引力的十分之一。
Hatsuda说，这个实验“非常令人兴奋”。他的团队目前正在用莱迪思QCD检查结果。
虽然含有奇异夸克的强子在LHC中迅速衰变，但它们可能作为中子星的长期居民而存在，在那里巨大的压力可以稳定被称为“超子”的奇异质子变体这些超子将交换phi介子而不是π介子，一些理论家认为π介子可能会使死星变硬。但ALICE的结果表明，奇怪的相互作用太弱而无关紧要。
法比埃蒂说：“如果中子星内部有超子，它们之间的相互作用可以完全忽略。”
现代希望，对哪两个和三个夸克粒子粘在一起的全面了解可以解释另一个谜团——为什么四个或五个夸克的组合如此罕见。物理学家们已经编目了数百个夸克二重子和三重子，但只有少数四夸克和五夸克。
为此，爱丽丝一直在筛选2016年至2018年间发生的大约10亿次碰撞。然而，从今年春天开始，LHC的升级将使他们获取数据的速度提高100倍。在接下来的十年里，法比埃蒂预计将测量包含更重夸克的稀有强子的混合。
“我们正在制作这个谜题，”她说，“试图测量所有这些。”