大型強子對撞機(LHC)項目發現三種新的奇異粒子,都由 5 個夸克構成。由夸克構成的粒子稱爲強子,但這些五夸克粒子卻又不屬於強子的兩大類別(重子和介子)中的任何一類。深入研究它們的結構將幫助我們更好地理解夸克理論和標準模型。

  圖片來源:Daniel Dominguez/CERN

  來源 the Conversation

  撰文 Harry Cliff,劍橋大學粒子物理學家

  翻譯 阿金

  審校 戚譯引

  我們身邊所見的萬物都是由稱爲夸克和輕子的基本粒子所構成,而夸克和輕子能夠結合形成更大的粒子,比如質子和原子。但是不僅限於此,這些亞原子粒子還會以我們聞所未聞的各種奇異方式結合。

  3 月 27 日,歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHCb)合作項目宣佈發現了一種新粒子,命名爲五夸克粒子(pentaquarks)。夸克理論是粒子物理學標準模型的關鍵部分,而這一發現有助於揭開它的層層神祕面紗。

  二十世紀中期的宇宙射線研究和對撞實驗發現了大量雜亂無章的新粒子,夸克理論於這段時期被初次提出,以解釋這些現象。這種貌似基本粒子的“家族”成員不斷壯大,讓物理學家驚慌失措,因爲他們本能地偏愛簡潔有序,討厭要記住一些基本原理之外的更多東西。意大利著名物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)捕捉到了自己同事的小情緒,就跟他們說:“年輕人,要是我能記住所有這些粒子的名稱,我就去當植物學家了。”

  幸運地是,上世紀六十年代,美國物理學家默裏·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)注意到,粒子家族的組成模式類似於門捷列夫所繪製的化學元素週期表。就像元素週期表暗示存在比原子更小的東西一樣,蓋爾曼的理論表示,存在一類新的基本粒子,其他粒子都由這些基本粒子組成。粒子物學家最終得以解釋這個“家族”中上百個粒子,認爲這些粒子由種類少得多、被稱爲夸克的基本粒子組成。

  標準模型中存在六種夸克:下夸克、上夸克、奇夸克、魅夸克、底夸克和頂夸克。這些夸克還擁有“反物質”夥伴,物理學家相信每一個粒子都有自己的反物質版本,各種性質基本相同,但電荷相反。夸克和反夸克結合在一起,形成稱爲強子的粒子。

  根據蓋爾曼的模型,強子分爲兩大類:一類由三個夸克組成,稱爲重子(baryons,構成原子核的質子和中子就屬於這種類型),另一類則由一個夸克和一個反夸克組成,稱爲介子(mesons)。

  直到最近,重子和介子是實驗中所探測到的強子的“唯二”類型。然而,讓我們回溯到六十年代,蓋爾曼還提出了夸克更加奇異的可能結合方式,比如四夸克粒子(兩個夸克和兩個反夸克)和五夸克粒子(四個夸克和一個反夸克)。

  CERN 大強子對撞機的四大實驗中有一個由 LHCb 運行,2014 年該項目發表了一項研究結果,表明擁有響亮名號的Z (4430)+粒子是四夸克粒子。這激起了科學家對新型奇異強子的狂熱興趣。隨後,2015 年,LHCb 宣稱發現了第一個五夸克粒子,給強子家族又添加了一類新成員。

  如今 LHCb 的實驗結果發現了更多這樣的粒子,對上一次發現進行了補充。這可能要歸功於 LHC 第二輪運行期間收集的一大波新數據。清華大學的張黎明(Liming Zhang)副教授是參與測量的物理學家之一,他說:“我們現在擁有的數據量是 2015 年的十倍之多,這讓我們能比以前看到更多有意思、更加精細的結構。”當他與同事檢查 2015 年發現的五夸克粒子時,他們驚奇地發現它實際上分爲兩種,它們擁有相同的質量,因此一開始看起來就像同一種粒子一樣。

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

  如果說這個“買一送一”的五夸克粒子還不算驚喜的話,LHCb 還發現了第三個五夸克粒子,它的質量略小於前兩者。這三個夸克粒子全部都由一個下夸克、兩個上夸克、一個魅夸克和一個反魅夸克構成。

  現在的大問題就是:這些五夸克粒子內部的具體結構是怎樣的?一種可能是五個夸克非常均勻地結合在一起,形成一個強子;另外一種可能則是這五個夸克其實以一個重子和一個介子的形式結合在一起,形成一個結構鬆散的分子,有點像原子核內質子和中子的結合方式。

  美國雪城大學(Syracuse University)的物理學教授 Tomasz Skwarnicki 也參與了測量工作,他告訴我,新發現的這種狀態“給出了了解五夸克粒子內部結構的大量參考信息”。最有可能的結構是重子-介子分子,他補充道。爲了找到確定答案,物理學家們將需要更多的實驗數據,還需要理論學家進一步的研究,這意味着這些五夸克粒子的故事還有着漫長的後續。

  整整一週以來,來自 LHCb 的新消息讓大家激動不已,其中還包括髮現一種新的物質-反物質不對稱性。到目前爲止,LHC 尚未發現任何標準模型之外的粒子來解釋一些神祕現象,例如暗物質——它是宇宙中物質的主要組成部分,不可見,我們仍然對它一無所知。

  但是,這些激動人心的發現也表明,標準模型中的粒子和力還有很多需要我們去了解。爲了解答 21 世紀基礎物理學所面臨的大問題,最好的辦法或許是通過已知的更加詳細的粒子研究,而不是發現新粒子。無論如何,我們要去發現的還有很多。

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