科普》物理學界的「美麗與哀愁」：大型強子對撞機至今尋獲 80 種新粒子，仍不見暗物質蹤影

除了證實希格斯玻色子存在，歐洲 CERN 大型強子對撞機至今已確認發現 80 個新複合粒子，這些粒子哪些具代表性？而大型強子對撞機遲遲找不到超出標準模型的新基本粒子，又會對漂亮的超對稱理論、暗物質理論產生什麼影響？

大型強子對撞機（LHC）自 2009 年運作至今，已發現 1 種基本粒子與 80 種複合粒子，前者為最重要、最廣為人知的希格斯玻色子（Higgs boson，俗稱上帝粒子），也是粒子物理學標準模型最後一個被找到的基本粒子，它的發現證實希格斯場存在，解釋宇宙其他基本粒子為什麼具有質量。

標準模型無法解釋粒子質量起源，也無法解釋為什麼有些粒子非常重，有些粒子完全沒有質量。理論物理學家 Robert Brout、François Englert、Peter Higgs 對此提出一個想法：粒子與一種遍布宇宙無形的「場」（稱為希格斯場）相互作用後具有質量，與希格斯場相互作用強烈的粒子質量較大，相互作用較弱的粒子質量較小。

1980 年代末，物理學家開始尋找與希格斯場相關的粒子──希格斯玻色子。2012 年 7 月，大型強子對撞機宣布發現希格斯玻色子，證實希格斯機制。

發現希格斯玻色子並非終點，研究人員還在持續詳細分析希格斯玻色子，測量其性質並尋找該粒子的罕見衰變路徑。

80 個新複合粒子

在 LHC 發現的另外 80 個新複合粒子中，LHCb 實驗發現 71 個，ATLAS 實驗發現 2 個，CMS 實驗發現 7 個，它們都是由夸克（Quarks）組合成的「複合粒子」（統稱強子），主要分為：介子（Mesons）、重子（Baryons）、奇異強子（Exotic Hadrons）。

介子由一正一反 2 個夸克組成，重子則由 3 個夸克組成，LHC 已發現許多含底夸克（bbottom quark）、魅夸克（charm quark）的重質量新成員，奇異強子則是物理學重大突破，科學家過去半個世紀一直懷疑有由 4 個、5 個甚至 6 個夸克組成的奇異粒子，但難以證實，直到 LHC 首次明確發現多種四夸克態（Tetraquark）和五夸克態（Pentaquark）。

你可能會想，發現夸克的各種排列組合有什麼了不起？

解答在於夸克之間透過「強核力」結合，強核力的運作機制、方程式非常複雜，就連超級電腦都難精確計算，加上夸克模型實際上可解釋超過 100 種複合粒子存在，LHC 每發現一種新的四夸克、五夸克拼裝法，就能為科學家提供極珍貴直接實驗數據微調計算模型，幫助驗證並完善「量子色動力學」（QCD）理論，進而更了解物質如何在極端條件下結合，解答一個根本性問題：宇宙大爆炸初期，夸克湯如何冷卻、凝結成如今構成你我身體的物質？

奇異強子族譜與代表性粒子

奇異強子大致上可分為兩大家族：四夸克態（Tetraquark）、五夸克態（Pentaquark）。

四夸克家族又劃分隱媚粒子（Hidden Charm）、隱底夸克（Hidden Bottom）、雙重/全重夸克（Double / Fully Heavy）分支，後者為近年 LHC 最受矚目的新興小家族。

五夸克家族本質上是重子親戚，主要劃分出 Hidden Charm、Strange Pentaquark、尚未確認的 Hidden Bottom 分支。

以下為 LHC 幾個重要新粒子發現

◆ Z(4430)：2014 年 LHCb 實驗發現的第一個四夸克粒子（tetraquark）；嚴格來說，LHCb 實驗並非首次發現該粒子，而是進一步證實 2008 年貝爾實驗觀測到的奇異 Z（4430）態為粒子，提出明確證據表明 Z（4430）是由魅夸克、反魅夸克、下夸克、反上夸克組成的奇異強子。

◆ Pc(4450)、Pc(4380)：LHCb 實驗於 2015 年首度發現 2 個五夸克粒子，都由 1 個魅夸克、1 個反魅夸克、2 個上夸克、1 個下夸克組成，劃下近代粒子物理學歷史性里程碑，徹底打破半世紀以來「強子只是三夸克（重子）或雙夸克（介子）」的教科書鐵律，正式掀開奇異強子探索熱潮，也洗刷五夸克粒子過去被認為只是統計學誤差的「冤屈」大烏龍事件。

發現五夸克粒子後，理論物理學界隨即炸鍋，科學家競相爭論內部 5 個夸克如何排列，第一種說法認為五夸克粒子為「五夸克袋模型」：所有夸克像裝在同一個袋子裡緊密結合；第二種說法認為五夸克粒子為「介子-重子模型」：一個介子與一個重子透過核力鬆散地綁在一起，類似質子與中子組成原子核。

隨著測量技術進步，Pc(4450) 於 2019 年進一步確認為由 Pc(4440) 、Pc(4457) 兩個 2 個質量非常接近的強子重疊而成，強烈暗示它們屬於「介子-重子模型」組成的強子分子態。

◆ Ξcc++：2017 年，LHCb 實驗首次發現含 2 個魅夸克的三夸克粒子（與另 1 個上夸克組成），質量約 3.621GeV，相當質子質量 4 倍。

◆ Pc(4312)：2019 年，LHCb 實驗確認第 3 個五夸克粒子，同樣由 1 個魅夸克、1 個反魅夸克、2 個上夸克、1 個下夸克組成。

◆ X(6900)：2020 年，LHCb 實驗終於自己發現第一個四夸克粒子，而且還是完全由同類型重夸克組成的全重夸克結構：2 個魅夸克 + 2 個反魅夸克，成為檢驗強核力最極端實驗室。

◆ X0(2900)、X1(2900)：2020 年 9 月，LHCb 實驗觀測到奇特夸克結構，首次發現含 4 種完全不同夸克的奇異強子態，兩者都由 1 個魅夸克、1 個反下夸克、1 個奇夸克、1 個反上夸克組成。

◆ T cc +：2021 年LHCb 實驗確認發現挑戰理論極限的四夸克粒子，由 2 個魁夸克、1 個反上夸克、1 個反下夸克組成，雖然壽命乍看之下極短（約 10^-23 秒），卻是迄今已知最長壽的奇異強子，在同類粒子中屬於耆老。

和 2017 年發現的 Ξcc++ 一樣，T cc + 也擁有 2 個重夸克（魁夸克），就像把 2 塊巨石硬生生綁在一起，是非常罕見且難以形成的結構。

◆ Ξcc+：2026 年 LHCb 實驗最新發現的三夸克粒子，與 Ξcc++ 類似，質量都約普通質子 4 倍，差別在於 Ξcc+ 由 2 個魁夸克與 1 個下夸克組成。

更複雜的多夸克粒子是否存在？

量子色動力學沒有嚴格限制夸克組合數量，只要滿足「色荷中性」（color neutrality）規則，六夸克粒子以上的多夸克態完全不違反理論。

然而多夸克組合穩定性更低，就像堆疊越多積木越容易不穩，稍微一晃就崩解，多夸克態往往快速衰變成更簡單粒子（如兩個重子）。

目前有一些理論預測多夸克態，代表例子為 1977 年物理學家 Robert Jaffe 提出的 H-雙重子（H-dibaryon），由 2 個上夸克、2 個下夸克、2 個奇夸克組成，可能存於自然界，若 H-雙重子存在，科學家推論中子星核心就可能由 H 雙重子或超子組成。

但現況為 LHC、其他實驗多次搜尋都未找到明確證據。

尚未發現「超出標準模型」的新基本粒子

LHC 至今尚未發現超出標準模型的基本粒子，主要影響超對稱（supersymmetry，SUSY）理論、暗物質理論。

標準模型有一個致命缺陷──希格斯玻色子的級列問題（Hierarchy Problem）。為了讓希格斯粒子質量維持在目前觀測到的 125 GeV 左右，當前理論需在小數點後幾十位進行極不自然的「微調」，但科學家過去引以為傲的超對稱理論（SUSY）可完美解決此問題，它預言每個已知粒子都有一個超對稱伴子，剛好可抵消那些讓粒子質量無限膨脹的量子效應。

物理學家原本堅信 LHC 一開機，超對稱粒子就會像爆米花一樣蹦至眼前，結果 10 幾年過去了什麼都沒找到，物理學家被迫將超對稱粒子質量推高到 LHC 做不到的能量級別，才能保住超對稱理論。

其次，超對稱理論預言的最輕粒子「大質量弱相互作用粒子（WIMP）」，其質量、交互作用強度完美符合天體物理學觀測到的暗物質密度，因此又稱為 WIMP 奇蹟，大家原本期待 LHC 能直接在對撞實驗「創造」出 WIMP 粒子，但 WIMP 至今同樣不見蹤影，導致科學界對暗物質的研究重心大幅轉移，開始熱衷尋找其他候選粒子，如惰性微中子、軸子。

找不到任何明顯新粒子多少令人失望，但也讓我們意識到宇宙或許不存在人類自己想像的「自然而然」，也可能人類尚未在正確觀測窗口尋找，未來科學界傾向將資源投入多種實驗管道（加速器、重力波、精密測量、天文觀測）以聯合尋找新物理跡象。