奇异粒子再次出现

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试着观察你的周围,你会看到各种形状、颜色、用途各异的物体,比如铅笔、瓶子、沙发等等。或许你会想,这些东西应该都是由不同东西组成的吧。但当我们不断地追问时,最终就会发现,所有的物体(包括我们自身)都是由基本粒子——夸克轻子组成的。像质子、原子等更大的粒子都是由这些基本粒子结合而成的。

如此听来,这个世界大大的被简化了,简单到甚至有些无趣了。但我们要相信,自然总是会隐藏着一些意想不到的惊喜,比如这些亚原子粒子也能够以我们从未发现过的奇特方式结合在一起。

最近,欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机底夸克(LHCb)实验合作组宣布,他们发现了一种新的“五夸克态”粒子。这种新的粒子会衰变成一个质子和一个J/ψ粒子(由一个粲夸克和一个反粲夸克组成)。新的结果将帮助揭开夸克理论的许多谜团。

○ 五夸克态粒子可能是由一个介子(由一个夸克和一个反夸克组成)和一个重子(由三个夸克构成)结合形成| 图片来源:CERN

1. 神秘的强子

在粒子物理学的标准模型中,夸克有六种类型——上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。这些夸克还有它们的“反物质”同伴——人们相信,每个粒子都有一个与自身相同,却带着相反电荷的反物质版本。夸克与反夸克会束缚在一起形成强子

上个世纪六十年代,物理学家在宇宙射线和对撞机中发现了大量的新粒子,这令一向喜欢简洁和秩序的物理学家大感震惊。为了让这一切变得更加简单,美国物理学家盖尔曼(Murray Gell-Mann)提出了夸克模型。盖尔曼发现的模式,就像是门捷列夫提出化学元素周期表时发现的规律一样。

根据盖尔曼的模型,强子有两大类。一类是由三个夸克组成的重子(包括构成原子核的质子和中子),另一类是由一个夸克和一个反夸克组成的介子

过去,在实验中发现的强子只有重子和介子这两种类型。但事实上,盖尔曼在1964年的那篇关于夸克模型的论文中,他也提到了存在奇异强子的可能性。这些奇异强子可能是由两个夸克和两个反夸克组成的四夸克态,或者由四个夸克和一个反夸克组成的五夸克态。盖尔曼的奇思妙想在50年后得到了实验的证实。

○ 五夸克态粒子的另一个可能结构是由五个夸克紧紧地束缚在一起形成| 图片来源:CERN

2. 新的奇异强子

2014年,LHCb实验公布了一项结果:被简洁地命名为Z(4430)⁺的粒子是一种四夸克态粒子。这个发现引发了人们对奇异强子的兴趣。到了2015年,LHCb实验又宣布,他们第一次发现了两种五夸克态粒子:Pc(4450)Pc(4380)⁺,从而为强子家族增添了一类全新的粒子。

LHCb最近刚公布的这项结果表明,他们又发现了一种新的五夸克态粒子,被称为Pc(4312)⁺,其结果具有7.3标准偏差的统计显著性(在粒子物理学,5个标准偏差就可以宣称是发现了)。这次实验之所以有可能实现,是因为大型强子对撞机第二次运行时记录了大量的新数据,比2015年那次的分析数据多出了9倍。清华大学副教授张黎明是参与此次实验测量的物理学家之一,他说:“这让我们得以看到比以前更令人兴奋、更精细的结构。“

除此之外,当张黎明与同事们在研究2015年发现的五夸克态粒子Pc(4450)⁺时,他们惊奇地发现这种结构复杂的粒子实际上是由两个独立的五夸克态粒子Pc(4440)⁺Pc(4457)⁺组成的,它们的质量非常相近,初看起来就像是一个粒子。

○ 左边深蓝色的峰表示此次发现的五夸克态粒子Pc(4312)⁺;右边的两个峰表示两种质量接近的五夸克态粒子Pc(4440)⁺Pc(4457)⁺。| 图片来源:LHCb

LHCb这次发现的第三种五夸克态的质量略小于前两种粒子。这三种五夸克态都是由一个下夸克、两个上夸克、一个粲夸克和一个反粲夸克组成的。

现在最大的问题是:这些五夸克态的内部结构到底是什么样的?一种情况是,5个夸克紧密地被束缚在一个强子中;另一种可能性是,五夸克态实际上是由一个重子和一个介子粘在一起形成松散结合的分子,类似于原子核内质子和中子结合的方式。

○ LHCb。| 图片来源:Maximilien Brice et al./CERN

纽约雪城大学的物理学教授Tomasz Skwarnicki也参与了此次测量,他说,新的五夸克态的质量提供了关于其内部结构的线索,最有可能的情况是,这些五夸克态是一种重子-介子分子。不过五夸克态的故事还远远没有结束,要完全确定它们的内部结构还需要更多的实验数据和理论研究。

在这次召开于意大利的Rencontres de Physique de la Vallée d'Aoste会议中,LHC除了宣布了发现新的五夸克态,还宣布了其他令人兴奋的新发现,包括一周前发现的一种新的物质-反物质不对称性。然而,如果物理学家想要解释像暗物质(构成宇宙中的大部分物质,且不可见的未知物质)这样的神秘现象,LHC还需要发现超越标准模型的全新粒子。

这些令人兴奋的测量结果表明,关于标准模型中的粒子和力,还有许多问题需要研究。对于21世纪基础物理面临的重大问题,我们寻找答案的最佳机会或许在于对已知的粒子进行更详细的研究,而不是发现新的粒子。但无论如何,我们仍有许多东西需要去发现。

参考链接:

https://theconversation.com/exotic-particles-containing-five-quarks-discovered-at-the-large-hadron-collider-114211

http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/Welcome.html#Pentaq

https://home.cern/news/press-release/cern/cerns-lhcb-experiment-reports-observation-exotic-pentaquark-particles

https://home.cern/news/news/physics/highlights-2019-moriond-conference-electroweak-physics

本文转载自公众号“原理”(ID:principle1687)

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