僅在質子高能碰撞時短暫存在,實驗證實發現神祕 Odderon 粒子

作者 | 發布日期 2021 年 03 月 23 日 15:44 | 分類 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


50 年前就預測到的難以捉摸 Odderon 粒子,如今終於在歐洲核子研究組織大型強子對撞機(LHC)與美國費米實驗室正負質子對撞機(Tevatron)合作下現身。

隨著描述夸克、膠子之間強交互作用的量子色動力學(QCD)理論出現,物理學家在 1973 年預測 Odderon 粒子的存在,嚴格來說,Odderon 粒子並不是「一個粒子」,而是質子(由夸克和膠子組成)高能碰撞過程,出現奇數個(3 個、5 個等)膠子短暫黏在一起的狀態;若為偶數個膠子黏在一起(2 個、4 個等),則稱為 Pomeron 粒子。

在較低能量下,質子─質子或質子─反質子散射差異是由交換不同的介子(由夸克和反夸克組成的粒子)所引起;但在較高能量下,質子相互作用預計僅由膠子介導,尤其是低動量傳遞與高能量下的的彈性散射(elastic scattering)。

膠子(gluon)是負責在 2 個夸克之間傳遞強作用力的基本粒子(類似光子負責在 2 個帶電粒子之間傳遞電磁力)。膠子也很有趣,通常不太喜歡一個人待著,幾乎都要找其他同伴一起行動,2 個以上膠子結合而成的狀態也稱為膠球,某些情況下它們不會破碎,而是彼此反彈並散射。

理論預測這些粒子必須存在,然而過去科學家一直找不出強大到足以肯定它們存在的證據,首先數據量非常龐大,科學家必須替對撞機內各種粒子碰撞相互作用的結果進行分類,並從中找出當下只能存在 Odderon 粒子的數據,美國堪薩斯大學天文物理學家 Christophe Royon 形容,如果把這次研究用到的所有數據存到光碟並堆疊在一起,則疊起來的長度將超過地球與月球之間距離。

在日以繼夜的比對新舊資料庫後,一個國際物理團隊終於從正負質子對撞機(Tevatron)10 年前的 DØ 實驗數據、大型強子對撞機在 2015 年、2019 年及 2020 年的全截面彈性散射偵測器(Total Elastic and Diffractive Cross Section Measurement,TOTEM)實驗數據中,獲得證實 Odderon 粒子存在的有利證據。

簡單說,物理學家比較了 LHC 質子─質子數據與正負質子對撞機質子─反質子數據,都在 1.96 TeV 碰撞能量下結果發現 Odderon 粒子存在跡象;當團隊再結合 TOTEM 於13 TeV 處更小的散射角度結果時,Odderon 粒子的地位被提升至重大發現,研究結果落在 5.2-5.7 個標準差範圍內。

如果無法證實 Odderon 粒子存在,科學家就不得不試著提出宇宙如何運作的新理論,如今終於發現它們蹤跡,再度達成粒子物理學一個里程碑。

新論文已提交《物理評論快報》(Physical Review Letters),論文預印版本可先至歐洲核子研究組織網站閱覽。

(首圖來源:歐洲核子研究組織