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微觀物理學的重大突破！夸克是如何相互作用，組成我們所在的世界

2021-11-08 09:24 作者:天文在線 0人讀過 | 我要投稿

簡介：CERN發(fā)現(xiàn)了預言中的新粒子—“tetraquark”，由兩個夸克和兩個反夸克綁定組成。

歐洲核子研究中心的 LHCb 機構宣布發(fā)現(xiàn)了一種新的奇異粒子：也就是所謂的“四夸克”。相關的論文由 800 多位作者撰寫，雖然尚未由其他的科學家在“同行評審”中進行評估，但已在研討會上發(fā)表。在研討會上，科學家們還聲稱發(fā)現(xiàn)新粒子的常用統(tǒng)計閾值。

這一發(fā)現(xiàn)標志著近 20 年來在世界各地的粒子物理實驗室進行的研究有了重大突破。

為了了解四夸克是什么，以及為什么這一發(fā)現(xiàn)如此重要，我們需要回到 1964 年，當時粒子物理學正處于一場革命之中。披頭士狂熱剛剛爆發(fā)，越南戰(zhàn)爭正在肆虐，新澤西州的兩名年輕射電天文學家剛剛發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論有史以來最有力的證據(jù)。

美國西南部的加州理工學院和大西洋另一邊瑞士歐洲核子研究中心的雙粒子物理學家們分別發(fā)表了兩篇關于同一主題的獨立論文。兩者都是關于如何理解過去二十年中發(fā)現(xiàn)的大量新粒子。

許多物理學家難以接受宇宙中可能存在如此多的基本粒子，也就是所謂的“粒子動物園”。來自歐洲核子研究中心的喬治·茨威格和來自加州理工學院的默里·蓋爾曼找到了相同的解決方案。如果所有這些不同的粒子真的由更小、未知的基礎塊組成，就像元素周期表中的一百多種元素由質(zhì)子、中子和電子組成一樣，會怎樣？茨威格將這些基礎塊稱為“王牌”，而蓋爾曼則選擇了我們今天仍在使用的術語：“夸克”。

我們現(xiàn)在知道有六種不同的夸克——上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克。這些粒子也有各自帶相反電荷的反物質(zhì)同伴，它們可以根據(jù)基于對稱性的簡單規(guī)則結合在一起。由夸克和反夸克組成的粒子稱為“介子”；而三個夸克結合在一起會形成“重子”。構成原子核的熟悉的質(zhì)子和中子就是重子的一種。

這種分類方案完美地描述了 1960 年代的粒子動物園。然而，即使在蓋爾曼的原始論文中，他也意識到夸克的其他組合方式也是可能的。例如，兩個夸克和兩個反夸克可能會粘在一起形成“四夸克”，而四個夸克和一個反夸克會形成“五夸克”。

具有奇異特性的粒子

快進到 2003 年，日本 KEK 實驗室的 Belle 實驗報告了對一種名為 X(3872) 的新介子的觀察，它顯示出與普通介子截然不同的“奇異”特性。

在接下來的幾年里，物理學家們發(fā)現(xiàn)了幾個新的奇異粒子，于是他們開始意識到，只有在這些粒子是由四個夸克而不是兩個夸克組成的時候，它們才可以解釋得通。然后，在 2015 年，歐洲核子研究中心的 LHCb 實驗發(fā)現(xiàn)了第一個由五個夸克組成的五夸克粒子。

迄今為止發(fā)現(xiàn)的所有四夸克和五夸克都包含兩個相對重的粲夸克和兩到三個較輕的上夸克、下夸克或奇夸克。這種特殊的組合確實是在實驗中最容易發(fā)現(xiàn)的。

但是 LHCb 最近發(fā)現(xiàn)的四夸克由四個粲夸克組成，也被稱為 X(6900)。經(jīng)過觀察，四夸克由大型強子對撞機的高能質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生，之后會衰變成為已知的介子粒子J/psi，每個粒子由粲夸克和粲反夸克組成。四夸克耐人尋味的是，它不僅完全由重夸克組成，而且還由四個相同類型的夸克組成——這是一個幫助證實我們?nèi)绾卫斫饪淇私Y合在一起的獨特樣本。