大型強子對撞機再發現 4 種新粒子,全都是超稀有四夸克態

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 15 日 15:26 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


歐洲核子研究組織(CERN)的大型強子對撞機底夸克實驗(LHCb)近日宣布再發現 4 種新粒子,驚人的是全為稀有四夸克態。該機構統計從 2009 年至今,LHC 已發現 59 個全新粒子,它們有些在理論預期範圍內,但有些完全讓人出乎意料。

大型強子對撞機(Large Hadron Collider)是地球上測試粒子物理學標準模型的最佳工具之一,最著名發現莫過於希格斯玻色子(Higgs boson),將標準模型遺失的一角填上色彩。然而科學家離完全理解標準模型還有很長一段距離,該理論最麻煩的就是描述將核子結合成原子核的核力(強交互作用)。

原子核由質子與中子組成,質子和中子又分別由 3 個稱為夸克的基本粒子(quark)組成,科學家用量子色動力學(Quantum Chromodynamics,QCD)來描述夸克與膠子之間的強交互作用。(膠子是在 2 個夸克之間傳遞強作用力的基本粒子)

而強交互作用最奇怪的地方在於其強度不會隨著距離增加而減弱,當你把 2 個夸克分開時,作用力實際上會變強,這導致夸克被永遠鎖在強子內部,稱為夸克禁閉(quark confinement),除非在粒子對撞機中以驚人速度粉碎強子,才有機會看到這些複合粒子瞬間分解成一堆鬆散的夸克。

更複雜的是,標準模型中所有粒子都具有與自身幾乎相同但帶有相反電荷的反粒子,如果將一個夸克從質子中拉出,則最終會有股力量產生「夸克-反夸克」對,最後夸克進入質子,然後再得到一個由夸克和反夸克組成的束縛態粒子「介子」。

根據量子力學,粒子應該可以從力的作用中彈出,但我們至今都還未見過單獨存在的夸克,雖然理論上不能證明夸克無法單獨存在,但糟糕的是,科學家也無法計算出哪些夸克組合可行、哪些又不可行。

首次發現夸克時,科學家意識到應該會有幾種組合,包括成對的夸克和反夸克(介子)、三夸克(重子)、3 個反夸克組成的反重子(antibaryons);2 個夸克和 2 個反夸克組成的四夸克、以及 4 個夸克和 1 個反夸克組成的五夸克——每種組合中只要夸克數減掉反夸克數均為 3 的倍數即可。

過去多數實驗都是發現介子與重子,四夸克、五夸克都相當稀有,2015 年時 LHCb 才首度發現 2 個五夸克粒子,2019 年發現第 3 個五夸克粒子,2020 年則首度發現四夸克粒子。

而本月 3 日,LHCb 實驗再宣布發現的 4 個新粒子,令人驚喜的全都是超稀有四夸克態,且都由 1 個魅夸克對加上另外 2 個夸克組成:其中 2 個四夸克態為全新組合「cc̄us̄」,命名為 Z cs(4000)+ 與 Z cs(4220)+;另外 2 個四夸克態組合為「cc̄ss̄」,命名為 X(4685)與 X(4630)。

這些強子相當值得研究,比如極短時間內夸克通常會出現哪些綁定組合;又為什麼所有的四夸克和五夸克都包含一對魅夸克(只有一個例外)?為什麼沒有帶奇夸克對的複合粒子呢?隨著發現越來越多新強子,科學家可以更清楚描述物質的最基本特性。

新論文可先上《arXiv》網站試閱。

(首圖來源:大型強子對撞機

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