存於大爆炸夸克湯的神祕短命 X 粒子,首從大型強子對撞機發現證據

作者 | 發布日期 2022 年 01 月 27 日 15:25 | 分類 天文 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


在大爆炸後最初百萬分之一秒內,宇宙是一個溫度高到難以想像的夸克-膠子電漿,基本粒子以無數組合在這鍋「熱湯」裡短暫凝聚在一起。根據模型,當中有一小部分粒子隨機碰撞形成短命的「X」粒子,因神祕而未知的結構而得名,現在,麻省理工學院團隊於大型強子對撞機中首度發現夸克-膠子電漿產生 X 粒子的證據。

夸克-膠子電漿(quark gluon plasma,QGP)是量子色動力學(QCD)下的物質狀態,俗稱夸克湯(quark soup),由夸克與膠子這些基本粒子組成,所處環境溫度與密度皆極高,根據粒子物理學與標準宇宙學模型,物理學家相信這種狀態存於宇宙誕生後最初 20~30 微秒。

在夸克-膠子電漿迅速冷卻之前,一小部分夸克與膠子相互碰撞、相黏再以不同構型分開,也就是說夸克湯裡存在各種奇奇怪怪但壽命極短的組合粒子,其中一種便稱為 X 粒子。

從理論上講,X 粒子可能出現在由粒子加速器製造的極小夸克湯中,儘管 X 粒子壽命很短,但當它們衰變時會產生一陣低質量粒子。由麻省理工學院領導的團隊於是利用機器學習技術,分析了大型強子對撞機(LHC)超過 130 億次重離子碰撞,首度從數據中識別出可能存在約 100 個 X 粒子,它們以粒子的估計質量被命名為 X(3872)。

雖然 X (3872) 最早在 2003 年就從日本的粒子對撞機 Belle 實驗首次發現,但當時 X (3872) 衰變得太快,我們完全來不及詳細觀察;現在科學家終於能確定 X 粒子的內部結構,與質子和中子(由 3 個夸克組成)不同的是,X 粒子內部看起來完全不同,至少這些新粒子都是包含 4 個夸克的奇異粒子,可能由 2 個夸克和 2 個反夸克組成,也可能是由兩個介子鬆散結合。

新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:麻省理工學院

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