再次刷新人类对物质的认知：全新四夸克粒子被发现

图片来源：CERN

本文转载自公众号“原理”

撰文 二宗主

最近，欧洲核子研究中心（CERN）的 LHCb 合作小组宣布了一项新的发现，他们称找到了一种奇异的、新的四夸克粒子。

6 月 30 日，这项由近千名作者参与的研究被提交到了 arXiv 上，目前论文仍处于“同行评审”阶段，但研究结果已经于一个研讨会上呈现。据研究人员称，这一结果符合宣称发现了一个新粒子的统计阈值标准的。一旦得到最终确认，这将会是一项重大的发现，标志着粒子物理学的一个巨大突破。

LHCb 探测器。| 图片来源：M. Brice, J. Ordan/CERN

为什么新发现的这个四夸克如此重要？故事或许要从上世纪 60 年代开始说起。

那时，粒子物理学正处于一场革命之中，物理学家已经发现了大量的新粒子。然而，这显然不符合许多物理学家心中所认为的——自然在本质上应该是简洁的、优雅的。因此，当时欧洲核子研究中心的乔治·茨威格（George Zweig），以及美国加州理工学院的默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）在两篇独立发表的论文中，提出了全新的可能性：所有这些不同的粒子，是否可能都是由更小的、未知的不可分割的粒子组成的？

盖尔曼（1966 年）。| 图片来源：Caltech Archives

茨威格将他的这些不可分割的基本粒子称为“ace”；而盖尔曼则选用“quark”，也就是被沿用至今的“夸克”一词。

根据标准模型，我们知道夸克有 6 种味，分别为上（up）、下（down）、粲（charm）、奇（strange）、底（bottom）、顶（top），它们各自有与之对应的携带相反电荷的反物质粒子。

如果按照这些夸克的质量大小来排列，最轻的是上、下夸克，这两种夸克也最稳定；质量居中的是粲、奇夸克，它们通常会迅速衰变成上夸克或下夸克；最重的是底、顶夸克，这两种夸克只能通过高能粒子间的碰撞产生。

根据基于对称性的一些简单规则，夸克可以互相结合，形成一种名为强子的复合粒子。强子又包括由一个夸克和一个反夸克组成的介子，以及由三个夸克结合在一起的重子，我们熟悉的质子和中子就都是重子。

普通强子。| 图片设计：雯雯子

然而，早在盖尔曼最初的论文中，他就已经意识到夸克或许还能以其他的方式组合。例如，两个夸克和两个反夸克或许可以粘在一起形成一个“四夸克”，而四个夸克和一个反夸克可以形成一个“五夸克”。

奇异强子。| 图片设计：雯雯子

将时间快进到 2003 年。那一年，日本 KEK 实验室的科学家发现了一种名为 X(3872) 的新介子，这种新介子表现出了完全不同于普通介子的“奇异”特性。在接下来的几年中，新的奇异粒子被相继发现，物理学家开始意识到，许多这些奇异粒子只能用它们是由 4 个夸克构成的四夸克粒子来解释。终于在 2015 年，CERN 的 LHCb 实验确认发现了第一个由 5 个夸克组成的五夸克粒子。

五夸克的两种可能组合：上图显示的是五个夸克紧紧的束缚在一起的情况；下图显示的是两个夸克束缚在一起形成了一个介子（白），以及三个夸克束缚在一起形成了类似质子和中子的结构（红）。| 图片来源：CERN

迄今为止，所有已发现的四夸克和五夸克都包含两个质量相对较重的粲夸克，以及两个或三个较轻的上、下或奇夸克。这些组合是最容易在实验中出现的情况。

但是，最新发现的这种被命名为 X(6900) 的四夸克却格外独特，它是一类完全由 4 个相同类型的重夸克组成的粒子！具体说来，它由两个粲夸克和两个反粲夸克构成。这意味着，LHC 的高能质子碰撞中首次出现了一种前所未见的新四夸克。

由两个粲夸克和两个反粲夸克组成的四夸克。| 图片来源：CERN

新的四夸克是通过它衰变成一对 J/ψ 介子而被观察到的，每一个 J/ψ 介子都是由一个粲夸克和一个反粲夸克组成的，这使得 X(6900) 成了最独特的四夸克。

目前，有两种不同的解释可用于描述这些夸克是如何结合在一起的：一是认为它们通过强结合，形成了一个真正的紧凑的四夸克粒子；第二种可能是一对两夸克粒子形成了两个介子，通过弱结合松散地形成了一个类似“分子”的结构。

虽然还无法完全确认是哪一种情况，不过研究人员认为，最有可能的情况是 4 个夸克形成了一个紧凑的四夸克粒子。

夸克之间的强核力遵循非常复杂的规则，复杂到唯一能够计算其效应的方法是使用近似和超级计算机。X(6900) 的独特性质将有助于研究人员理解如何提高这种近似的精确度，成为粒子物理学家研究强核力的最佳“实验室”。

同时，新的发现是一个巨大的飞跃，它表明，或许存在着许多由其他的重夸克构成的四夸克，而这些未知的奇异粒子，或许正等待着我们的发现。

参考来源：

https://theconversation.com/cern-physicists-report-the-discovery-of-unique-new-particle-142315

https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-new-type-tetraquark-cern

https://arxiv.org/abs/2006.16957

本文转载自公众号“原理”

（ID: principia1687）

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