禁止二次轉載。

試着觀察你的周圍，你會看到各種形狀、顏色、用途各異的物體，比如鉛筆、瓶子、沙發等等。或許你會想，這些東西應該都是由不同東西組成的吧。但當我們不斷地追問時，最終就會發現，所有的物體（包括我們自身）都是由基本粒子——夸克和輕子組成的。像質子、原子等更大的粒子都是由這些基本粒子結合而成的。

如此聽來，這個世界大大的被簡化了，簡單到甚至有些無趣了。但我們要相信，自然總是會隱藏着一些意想不到的驚喜，比如這些亞原子粒子也能夠以我們從未發現過的奇特方式結合在一起。

最近，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機底夸克（LHCb）實驗合作組宣佈，他們發現了一種新的“五夸克態”粒子。這種新的粒子會衰變成一個質子和一個J/ψ粒子（由一個粲夸克和一個反粲夸克組成）。新的結果將幫助揭開夸克理論的許多謎團。

五夸克態粒子可能是由一個介子（由一個夸克和一個反夸克組成）和一個重子（由三個夸克構成）結合形成。| 圖片來源：CERN

1. 神祕的強子

在粒子物理學的

標準模型

中，夸克有六種類型——上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。這些夸克還有它們的“反物質”同伴——人們相信，每個粒子都有一個與自身相同，卻帶着相反電荷的反物質版本。夸克與反夸克會束縛在一起形成強子。

上個世紀六十年代，物理學家在宇宙射線和對撞機中發現了大量的新粒子，這令一向喜歡簡潔和秩序的物理學家大感震驚。爲了讓這一切變得更加簡單，美國物理學家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出了夸克模型。蓋爾曼發現的模式，就像是門捷列夫提出化學元素週期表時發現的規律一樣。

根據蓋爾曼的模型，強子有兩大類。一類是由三個夸克組成的重子（包括構成原子核的質子和中子），另一類是由一個夸克和一個反夸克組成的介子。

過去，在實驗中發現的強子只有重子和介子這兩種類型。但事實上，蓋爾曼在1964年的那篇關於夸克模型的論文中，他也提到了存在奇異強子的可能性。這些奇異強子可能是由兩個夸克和兩個反夸克組成的四夸克態，或者由四個夸克和一個反夸克組成的五夸克態。蓋爾曼的奇思妙想在50年後得到了實驗的證實。

五夸克態粒子的另一個可能結構是由五個夸克緊緊地束縛在一起形成。| 圖片來源：CERN

2. 新的奇異強子

2014年，LHCb實驗公佈了一項結果：被簡潔地命名爲Z(4430)?的粒子是一種四夸克態粒子。這個發現引發了人們對奇異強子的興趣。到了2015年，LHCb實驗又宣佈，他們第一次發現了兩種五夸克態粒子：Pc(4450)?和Pc(4380)?，從而爲強子家族增添了一類全新的粒子。

LHCb最近剛公佈的這項結果表明，他們又發現了一種新的五夸克態粒子，被稱爲Pc(4312)?，其結果具有7.3標準偏差的統計顯著性（在粒子物理學，5個標準偏差就可以宣稱是發現了）。這次實驗之所以有可能實現，是因爲大型強子對撞機第二次運行時記錄了大量的新數據，比2015年那次的分析數據多出了9倍。清華大學副教授張黎明是參與此次實驗測量的物理學家之一，他說：“這讓我們得以看到比以前更令人興奮、更精細的結構。“

除此之外，當張黎明與同事們在研究2015年發現的五夸克態粒子Pc(4450)?時，他們驚奇地發現這種結構複雜的粒子實際上是由兩個獨立的五夸克態粒子Pc(4440)?和Pc(4457)?組成的，它們的質量非常相近，初看起來就像是一個粒子。

左邊深藍色的峯表示此次發現的五夸克態粒子Pc(4312)?；右邊的兩個峯表示兩種質量接近的五夸克態粒子Pc(4440)?和Pc(4457)?。| 圖片來源：LHCb

LHCb這次發現的第三種五夸克態的質量略小於前兩種粒子。這三種五夸克態都是由一個下夸克、兩個上夸克、一個粲夸克和一個反粲夸克組成的。

現在最大的問題是：這些五夸克態的內部結構到底是什麼樣的？一種情況是，5個夸克緊密地被束縛在一個強子中；另一種可能性是，五夸克態實際上是由一個重子和一個介子粘在一起形成鬆散結合的分子，類似於原子核內質子和中子結合的方式。

LHCb。| 圖片來源：Maximilien Brice et al./CERN

紐約雪城大學的物理學教授Tomasz Skwarnicki也參與了此次測量，他說，新的五夸克態的質量提供了關於其內部結構的線索，最有可能的情況是，這些五夸克態是一種重子-介子分子。不過五夸克態的故事還遠遠沒有結束，要完全確定它們的內部結構還需要更多的實驗數據和理論研究。

在這次召開於意大利的Rencontres de Physique de la Vallée d'Aoste會議中，LHC除了宣佈了發現新的五夸克態，還宣佈了其他令人興奮的新發現，包括一週前發現的一種新的物質-反物質不對稱性。然而，如果物理學家想要解釋像暗物質（構成宇宙中的大部分物質，且不可見的未知物質）這樣的神祕現象，LHC還需要發現超越標準模型的全新粒子。

這些令人興奮的測量結果表明，關於標準模型中的粒子和力，還有許多問題需要研究。對於21世紀基礎物理面臨的重大問題，我們尋找答案的最佳機會或許在於對已知的粒子進行更詳細的研究，而不是發現新的粒子。但無論如何，我們仍有許多東西需要去發現。

參考鏈接：

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

來源：原理

編輯：井上菌