作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/11 19:19:10
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大型强子对撞机发现全新四夸克粒子

 

 

大型强子对撞机(LHC)是大型强子的发现者。这个位于瑞士日内瓦附近的原子加速器最著名的成就是在2012年证明了希格斯玻色子的存在,这一发现为当前基本粒子分类的最终基石奠定了基础。但LHC也捕获了数十种被称为强子的非基本粒子,这些粒子像质子和中子一样,是由夸克组成的。

最新的强子在7月29日欧洲物理学会的虚拟会议上首次亮相,当时美国锡拉丘兹大学粒子物理学家Ivan Polyakov揭开了一个之前未知的、由四个夸克组成的奇异强子。根据荷兰国家亚原子物理研究所粒子物理学家Patrick Koppenburg的记录,这使得LHC的强子数量达到了62个。

已建立的粒子万神殿,称为标准模型,描述了物质的基本组成部分和作用于它们的基本力。它包括6种夸克、6种反物质以及其他几种基本粒子,如电子和光子。标准模型还包括夸克如何形成强子这一复合粒子的规则。夸克被强大的核力束缚在一起,自然界中最常见的两种夸克被称为“上”和“下”,它们可能的组合包括中子(一个向上,两个向下)和质子(两个向上,一个向下)。

质子是已知的唯一在孤立状态下是稳定的强子,中子只有在与原子核结合时才稳定。所有其他强子都是通过其他粒子的碰撞而瞬间形成的,并在几分之一秒内衰变。因此,LHC通过引起质子之间的高能正面碰撞,创造了新型强子。

LHCb是容纳LHC的27公里圆形隧道中的四个巨型探测器之一,LHC的大多数新类型强子都被LHCb发现了,Polyakov宣布的粒子也不例外。通过筛选质子碰撞碎片的数据,Polyakov和俄罗斯理论实验物理研究所的合作伙伴Vanya Belyaev发现了“四夸克”(一种四夸克强子)的预期特征,称为Tcc+。

四夸克是非常不寻常的,因为大多数已知的强子是由两个或三个夸克组成。第一个四夸克是2003年日本高能加速器研究组织发现的,LHCb还发现了几个。之前的四夸克很可能是一对普通的夸克双峰,像分子中的原子一样相互连接,但新发现的四夸克却很奇怪。以色列特拉维夫大学理论物理学家Marek Karliner认为,最新的四夸克可能是真正的、紧密结合的四夸克。

Belyaev表示,在自然界中,四夸克可能只存在于宇宙最初的瞬间,当时所有的物质都被压缩在一个极其狭窄的空间中。但重新创造它们有助于物理学家检验他们关于粒子如何通过强核力相互作用的理论。

数据精确地揭示了新粒子的属性,这让Belyaev感到震惊:“我的第一反应是我出错了。”例如,该粒子的质量大约是质子的4倍,其误差幅度比发现希格斯玻色子时高出近3000倍。Belyaev补充说,Tcc+可能是在LHC早期的数据中发现的,但他们直到现在才发现它,因为他们有一长串的其他粒子要寻找。

寻找新的强子的工作将继续进行。几十种夸克的组合可以产生强子,Karliner说,有50个可能的2夸克强子,除了一个以外都被观测到了,还有75个可能的夸克三联体,其中近50个已经被观测到了。

此外,对于每一种夸克组合,几乎有无限个可能的较重的“激发态”。例如,根据它们的自旋速度来区分,每一种都被归为单独的粒子。许多粒子已经在实验中被发现,事实上,科本堡的粒子目录中的大多数粒子都是激发态。Koppenburg说:“谁知道还有多少其他的状态隐藏在显而易见的地方,隐藏在笔记本电脑的数据里。”

但他也想知道,是否所有这些发现都应被视为离散粒子。“我认为我们需要一个更好的粒子定义。”

 
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