粒子物理學大突破,LHC 發現第三種「五夸克粒子」

作者 | 發布日期 2019 年 03 月 29 日 20:03 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly

繼 2015 年科學家宣布發現了理論中的「五夸克粒子」後,歐洲大型強子對撞機(LHC)實驗現在再度發現全新的五夸克粒子!隨著我們發現越多新粒子,將越能揭開宇宙物質基本結構的奧秘。



基礎物理告訴我們,日常生活中的物質都由原子構成,過去科學家將原子當作宇宙中最小的基本粒子,然而隨著物理學不斷發展,我們知道原子並非不可分割,而是由更小的次原子粒子:質子、中子、電子構成;你以為到這裡就是極限了嗎?不,繼續看下去,質子、中子內部還由更微小的次原子粒子夸克組成。

在目前標準模型框架下,最基本的粒子單位為費米子(包含夸克、輕子)和玻色子(包含規範玻色子、希格斯粒子),這些基本粒子組成(2 個以上)的粒子稱作複合粒子;由夸克結合形成的複合粒子稱為強子(最穩定的強子即質子與中子),強子可再分成帶 3 個價夸克的重子(Baryon),以及 1 個價夸克+1 個反價夸克的介子(Meson)。

但在強子之中,物理學家還預言了另外一種「奇異強子(exotic hadron)」的存在,稱為五夸克粒子(pentaquark),由 4 個夸克和 1 個反夸克構成;不同量子數的夸克(有 6 種)組合也代表不同粒子,因此五夸克粒子實際上有很多種類。

2015 年時,大型強子對撞機底夸克實驗(Large Hadron Collider beauty,LHCb)終於宣布發現 2 種全新五夸克粒子,證實半世紀以來的預測,科學家將它們命名為 Pc(4450)和 Pc(4380)。當時團隊分析表明,五夸克粒子結構可能是 5 個夸克緊密束縛著的單一複合粒子,也可能是由 1 個介子 + 1 個重子藉強作用結合,如下圖示範比較。

▲▼ 五夸克粒子結構可能是 5 個夸克緊密束縛的單一複合粒子(上),也可能是 1 個介子 + 1 個重子藉強作用結合而成的複合粒子(下)。

現在,LHCb 實驗宣布發現了第 3 種全新五夸克粒子結構,命名為 Pc(4312)!這一次,LHCb 的數據量是當年 10 倍,並且分析指出,五夸克粒子的結構應該類似於 1 個介子+1 個重子,或者說像質子與中子在原子核內結合的方式。

此外,當年科學家以為 Pc(4450)是由 5 個夸克緊密束縛而成的一個粒子,新研究表明它其實是由 Pc(4440)和 Pc(4457)兩個獨立強子構成。

目前已知,這 3 種五夸克粒子全部由 1 個下夸克(down quark)、2 個上夸克(up quark)、1 個魅夸克(charm quark)和 1 個反魅夸克(anticharm quark)組成,然而粒子模型的故事才剛剛開始而已,儘管我們仍未發現任何標準模型之外的粒子,但也許,繼續尋找模型內的新粒子便能幫助我們解釋神秘暗物質之構成。

讀完這篇,你我覺得眼花撩亂是很正常的,就連科學家自己都感到恐慌。著名物理學家恩里科·費米就曾幽默調侃道:「如果我有能力記住所有粒子的名字,那我會成為一名植物學家。」

(首圖來源:LHC

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