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再次刷新人类对物质的认知:全新四夸克粒子被发现

时间: 2020年07月15日 | 作者: 二宗主 | 来源: 原理
最近,欧洲核子研究中心(CERN)的 LHCb 合作小组宣布了一项新的发现,他们称找到了一种奇异的、新的四夸克粒子。


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图片来源:CERN


6 月 30 日,这项由近千名作者参与的研究被提交到了 arXiv 上,目前论文仍处于“同行评审”阶段,但研究结果已经于一个研讨会上呈现。据研究人员称,这一结果符合宣称发现了一个新粒子的统计阈值标准的。一旦得到最终确认,这将会是一项重大的发现,标志着粒子物理学的一个巨大突破。


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LHCb 探测器。| 图片来源:M. Brice, J. Ordan/CERN


为什么新发现的这个四夸克如此重要?故事或许要从上世纪 60 年代开始说起。


那时,粒子物理学正处于一场革命之中,物理学家已经发现了大量的新粒子。然而,这显然不符合许多物理学家心中所认为的——自然在本质上应该是简洁的、优雅的。因此,当时欧洲核子研究中心的乔治·茨威格(George Zweig),以及美国加州理工学院的默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)在两篇独立发表的论文中,提出了全新的可能性:所有这些不同的粒子,是否可能都是由更小的、未知的不可分割的粒子组成的?


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盖尔曼(1966 年)。| 图片来源:Caltech Archives


茨威格将他的这些不可分割的基本粒子称为“ace”;而盖尔曼则选用“quark”,也就是被沿用至今的“夸克”一词。


根据标准模型,我们知道夸克有 6 种味,分别为上(up)、下(down)、粲(charm)、奇(strange)、底(bottom)、顶(top),它们各自有与之对应的携带相反电荷的反物质粒子。


如果按照这些夸克的质量大小来排列,最轻的是上、下夸克,这两种夸克也最稳定;质量居中的是粲、奇夸克,它们通常会迅速衰变成上夸克或下夸克;最重的是底、顶夸克,这两种夸克只能通过高能粒子间的碰撞产生。


根据基于对称性的一些简单规则,夸克可以互相结合,形成一种名为强子的复合粒子。强子又包括由一个夸克和一个反夸克组成的介子,以及由三个夸克结合在一起的重子,我们熟悉的质子和中子就都是重子。


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普通强子。| 图片设计:雯雯子


然而,早在盖尔曼最初的论文中,他就已经意识到夸克或许还能以其他的方式组合。例如,两个夸克和两个反夸克或许可以粘在一起形成一个“四夸克”,而四个夸克和一个反夸克可以形成一个“五夸克”。


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奇异强子。| 图片设计:雯雯子


将时间快进到 2003 年。那一年,日本 KEK 实验室的科学家发现了一种名为 X(3872) 的新介子,这种新介子表现出了完全不同于普通介子的“奇异”特性。在接下来的几年中,新的奇异粒子被相继发现,物理学家开始意识到,许多这些奇异粒子只能用它们是由 4 个夸克构成的四夸克粒子来解释。终于在 2015 年,CERN 的 LHCb 实验确认发现了第一个由 5 个夸克组成的五夸克粒子。


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五夸克的两种可能组合:上图显示的是五个夸克紧紧的束缚在一起的情况;下图显示的是两个夸克束缚在一起形成了一个介子(白),以及三个夸克束缚在一起形成了类似质子和中子的结构(红)。| 图片来源:CERN


迄今为止,所有已发现的四夸克和五夸克都包含两个质量相对较重的粲夸克,以及两个或三个较轻的上、下或奇夸克。这些组合是最容易在实验中出现的情况。


但是,最新发现的这种被命名为 X(6900) 的四夸克却格外独特,它是一类完全由 4 个相同类型的重夸克组成的粒子!具体说来,它由两个粲夸克和两个反粲夸克构成。这意味着,LHC 的高能质子碰撞中首次出现了一种前所未见的新四夸克。


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由两个粲夸克和两个反粲夸克组成的四夸克。| 图片来源:CERN


新的四夸克是通过它衰变成一对 J/ψ 介子而被观察到的,每一个 J/ψ 介子都是由一个粲夸克和一个反粲夸克组成的,这使得 X(6900) 成了最独特的四夸克。


目前,有两种不同的解释可用于描述这些夸克是如何结合在一起的:一是认为它们通过强结合,形成了一个真正的紧凑的四夸克粒子;第二种可能是一对两夸克粒子形成了两个介子,通过弱结合松散地形成了一个类似“分子”的结构。


虽然还无法完全确认是哪一种情况,不过研究人员认为,最有可能的情况是 4 个夸克形成了一个紧凑的四夸克粒子。


夸克之间的强核力遵循非常复杂的规则,复杂到唯一能够计算其效应的方法是使用近似和超级计算机。X(6900) 的独特性质将有助于研究人员理解如何提高这种近似的精确度,成为粒子物理学家研究强核力的最佳“实验室”。


同时,新的发现是一个巨大的飞跃,它表明,或许存在着许多由其他的重夸克构成的四夸克,而这些未知的奇异粒子,或许正等待着我们的发现。


参考来源:

https://theconversation.com/cern-physicists-report-the-discovery-of-unique-new-particle-142315

https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-new-type-tetraquark-cern

https://arxiv.org/abs/2006.16957