大型强子对撞机（LHC）项目发现三种新的奇异粒子，都由 5 个夸克构成。由夸克构成的粒子称为强子，但这些五夸克粒子却又不属于强子的两大类别（重子和介子）中的任何一类。深入研究它们的结构将帮助我们更好地理解夸克理论和标准模型。

　　图片来源：Daniel Dominguez/CERN

　　来源 the Conversation

　　撰文 Harry Cliff，剑桥大学粒子物理学家

　　翻译 阿金

　　审校 戚译引

　　我们身边所见的万物都是由称为夸克和轻子的基本粒子所构成，而夸克和轻子能够结合形成更大的粒子，比如质子和原子。但是不仅限于此，这些亚原子粒子还会以我们闻所未闻的各种奇异方式结合。

　　3 月 27 日，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHCb）合作项目宣布发现了一种新粒子，命名为五夸克粒子（pentaquarks）。夸克理论是粒子物理学标准模型的关键部分，而这一发现有助于揭开它的层层神秘面纱。

　　二十世纪中期的宇宙射线研究和对撞实验发现了大量杂乱无章的新粒子，夸克理论于这段时期被初次提出，以解释这些现象。这种貌似基本粒子的“家族”成员不断壮大，让物理学家惊慌失措，因为他们本能地偏爱简洁有序，讨厌要记住一些基本原理之外的更多东西。意大利著名物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi）捕捉到了自己同事的小情绪，就跟他们说：“年轻人，要是我能记住所有这些粒子的名称，我就去当植物学家了。”

　　幸运地是，上世纪六十年代，美国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）注意到，粒子家族的组成模式类似于门捷列夫所绘制的化学元素周期表。就像元素周期表暗示存在比原子更小的东西一样，盖尔曼的理论表示，存在一类新的基本粒子，其他粒子都由这些基本粒子组成。粒子物学家最终得以解释这个“家族”中上百个粒子，认为这些粒子由种类少得多、被称为夸克的基本粒子组成。

　　标准模型中存在六种夸克：下夸克、上夸克、奇夸克、魅夸克、底夸克和顶夸克。这些夸克还拥有“反物质”伙伴，物理学家相信每一个粒子都有自己的反物质版本，各种性质基本相同，但电荷相反。夸克和反夸克结合在一起，形成称为强子的粒子。

　　根据盖尔曼的模型，强子分为两大类：一类由三个夸克组成，称为重子（baryons，构成原子核的质子和中子就属于这种类型），另一类则由一个夸克和一个反夸克组成，称为介子（mesons）。

　　直到最近，重子和介子是实验中所探测到的强子的“唯二”类型。然而，让我们回溯到六十年代，盖尔曼还提出了夸克更加奇异的可能结合方式，比如四夸克粒子（两个夸克和两个反夸克）和五夸克粒子（四个夸克和一个反夸克）。

　　CERN 大强子对撞机的四大实验中有一个由 LHCb 运行，2014 年该项目发表了一项研究结果，表明拥有响亮名号的Z (4430)+粒子是四夸克粒子。这激起了科学家对新型奇异强子的狂热兴趣。随后，2015 年，LHCb 宣称发现了第一个五夸克粒子，给强子家族又添加了一类新成员。

　　如今 LHCb 的实验结果发现了更多这样的粒子，对上一次发现进行了补充。这可能要归功于 LHC 第二轮运行期间收集的一大波新数据。清华大学的张黎明（Liming Zhang）副教授是参与测量的物理学家之一，他说：“我们现在拥有的数据量是 2015 年的十倍之多，这让我们能比以前看到更多有意思、更加精细的结构。”当他与同事检查 2015 年发现的五夸克粒子时，他们惊奇地发现它实际上分为两种，它们拥有相同的质量，因此一开始看起来就像同一种粒子一样。

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

　　如果说这个“买一送一”的五夸克粒子还不算惊喜的话，LHCb 还发现了第三个五夸克粒子，它的质量略小于前两者。这三个夸克粒子全部都由一个下夸克、两个上夸克、一个魅夸克和一个反魅夸克构成。

　　现在的大问题就是：这些五夸克粒子内部的具体结构是怎样的？一种可能是五个夸克非常均匀地结合在一起，形成一个强子；另外一种可能则是这五个夸克其实以一个重子和一个介子的形式结合在一起，形成一个结构松散的分子，有点像原子核内质子和中子的结合方式。

　　美国雪城大学（Syracuse University）的物理学教授 Tomasz Skwarnicki 也参与了测量工作，他告诉我，新发现的这种状态“给出了了解五夸克粒子内部结构的大量参考信息”。最有可能的结构是重子-介子分子，他补充道。为了找到确定答案，物理学家们将需要更多的实验数据，还需要理论学家进一步的研究，这意味着这些五夸克粒子的故事还有着漫长的后续。

　　整整一周以来，来自 LHCb 的新消息让大家激动不已，其中还包括发现一种新的物质-反物质不对称性。到目前为止，LHC 尚未发现任何标准模型之外的粒子来解释一些神秘现象，例如暗物质——它是宇宙中物质的主要组成部分，不可见，我们仍然对它一无所知。

　　但是，这些激动人心的发现也表明，标准模型中的粒子和力还有很多需要我们去了解。为了解答 21 世纪基础物理学所面临的大问题，最好的办法或许是通过已知的更加详细的粒子研究，而不是发现新粒子。无论如何，我们要去发现的还有很多。