科学家发现4种新粒子

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko，头图来自：CERN

一

ZCS(4000)⁺

ZCS(4220)⁺

X(4685)

X(4630)

这些并非什么神秘代号，而是代表着值得庆祝的成果。欧洲核子研究中心（CERN）近日宣布，大型强子对撞机（LHC）发现了四种全新的粒子，它们是四种不同的四夸克态。研究已于近日发表在预印本网站arXiv。

LHC的主要目标之一，就是在实验室中在最小的尺度和最高的能量下探索物质结构，从而检验我们目前最好的自然理论——粒子物理学标准模型。自2009年LHC开始质子碰撞以来，它出色地完成了诸多任务，比如发现著名的希格斯粒子。

迄今为止，LHC已经发现了共59种新强子（由两个或更多夸克构成的粒子），包括此次最新发现的四夸克态，以及其他诸多粒子。

 LHC陆续发现的59种新强子。| 图片来源：CERN

在这份长长的名单中，一些粒子是理论上可以预期的，还有一些则带来了意料之外令人惊喜的结果。在一次次极限碰撞中，物理学家正不断深入走进物质的本质。

二

标准模型一直被认为是物理学上最成功的理论模型之一。在2012年，希格斯玻色子的发现标志着标准模型中预言的所有基本粒子均得到了实验证实。尽管如此，这一理论仍未被完全理解。

在标准模型中，最“麻烦”的一部分是，它描述了把原子核“粘”在一起的强力（自然界中的四种基本力之一）。原子核由质子和中子组成，而质子和中子又分别由三个被称为夸克的基本粒子组成。夸克有6种味，分别被称为上（u）、下（d）、粲（c）、奇（s）、顶（t）和底（b）。

更为复杂的是，标准模型中的所有粒子都有反粒子，这些反粒子与粒子自身几乎相同，但电荷（或其他量子性质）相反。（反粒子常用字母上加一横表示，如c̄可代表粲夸克的反粒子。）

 夸克与反夸克。| 图片设计：雯雯子

夸克和反夸克能够以不同的组合出现，构成一类被统称为强子的复合粒子，但这种组合方式却大有讲究。

当夸克首次被发现时，科学家已经意识到，有几种夸克的组合在理论上是可能的，包括夸克和反夸克对（介子）、三个夸克（重子）、三个反夸克（反重子）、两个夸克和两个反夸克（四夸克态），以及四个夸克和一个反夸克（五夸克态）。

 强子的不同类型，包括普通强子（介子和重子）以及奇异强子（四夸克态和五夸克态）。| 图片设计：雯雯子

正是这些看似不起眼的基本粒子在强力的作用下，构成了如今的宇宙。如果我们把宇宙中的所有强力关掉一秒，所有物质都会立即分散成一大团松散的夸克。事实上，在宇宙开始的时刻，这种状态曾持续过很短时间。

三

在量子场论中，解释这种强相互作用的理论被称为量子色动力学（QCD）。这种理论有着非常坚实的基础，它描述了夸克如何通过交换胶子而发生强相互作用。

胶子可以理解成与人们更熟悉的光子类似的粒子，不同的是，光子负责传递电磁力，而胶子则负责传递强力。但是，胶子与夸克相互作用的方式使得强力的行为与电磁力大相径庭。

比如，当你将两个带电粒子拉开时，它们之间的距离越远，电磁力就越弱。然而当你拉开两个夸克时，强力实际上会变得更强。这样的结果就是，夸克会一直被牢牢地锁在强子里。唯一的办法就是像CERN中进行的实验那样，以惊人的速度把它们撞开。

如果你把一个夸克从质子中拉出来，这个力最终会强大到足以产生一个夸克-反夸克对，而产生的夸克会进入质子。你最终会得到一个质子和一个全新的介子。这听起来可能很奇怪，但根据量子力学，粒子确实可以“凭空出现”。实验已经反复证明了这一点——我们从未见过一个孤立的夸克。

正是由于这些复杂性，即使是一个看似“简单“的过程，在计算也会变得极其复杂。因此，我们其实还无法从理论上证明夸克不可能独立存在。更糟糕的是，我们甚至无法计算出，哪些夸克组合在自然界中是可行的，哪些又是不会出现的。

四

很长一段时间以来，只有重子和介子在实验中被确认了。直到2003年，日本科学家发现了一种与众不同的粒子，也就是第一个四夸克态。随后，更多四夸克态被陆续发现。2015年，LHC的LHCb实验首次发现了由5个夸克构成的五夸克态粒子。

最新发现的四个新粒子都属于奇异的四夸克态，它们均包含一个粲夸克对（cc̄）和其他两个夸克，比如cc̄us̄和cc̄ss̄。

这些强子的研究非常有趣。随着越来越多强子的发现，这些结果可以告诉我们，什么才是自然可以“接受”的夸克组合，尽管有些组合只能存在很短的时间。它也在向我们展示，自然规律“不喜欢”什么。例如，为什么几乎所有四夸克态和五夸克态都包含粲夸克对（只有一个例外）？为什么没有包含奇夸克对的对应粒子？

另一个谜团是，这些粒子是如何被强力束缚在一起的？一派理论家认为它们是一种“紧凑”的物体，就像质子或中子。还有一些人认为，它们更类似于”分子“，是由两个强子松散地结合而成的。

 五夸克态的两种构成可能，一些科学家认为它们是“紧凑”的（左），还有一些物理学家认为它们是更类似“分子”的松散结合（右）。| 图片来源：CERN

关于这些问题，目前科学家还没有得到确切的答案。

五

研究人员相信，每一个新发现的强子都可以通过实验来测量它的质量和其他性质，而这些性质则会告诉我们强子的行为。这将极大地帮助人们缩小实验和理论之间的差距。实验能找到的强子越多，就越能根据发现的事实调整理论模型。

这些模型对于实现LHC的最终目标至关重要，那就是找到超越标准模型的物理。尽管标准模型取得了巨大成功，但它绝对不是理解粒子的最后一关。一个很好的例子是，标准模型与描述宇宙形成的宇宙学模型并不一致。

LHC也在寻找新的基本粒子来解释这些差异。这些粒子或许隐藏在粒子相互作用的背景中，或者也可能在已知的过程中表现为细微的量子力学效应。无论哪种情况，想要找到它们，都需要更好地了解强力。

随着新强子的不断出现，我们对自然规律的认识逐渐深入，在探寻物质本质和宇宙本源的路上正越走越远。

原文作者：Patrick Koppenburg（荷兰亚原子物理研究所粒子物理学研究员）

Harry Cliff（剑桥大学粒子物理学家）

参考来源：

https://theconversation.com/cern-scientists-discover-four-new-particles-heres-why-they-matter-155800

https://phys.org/news/2021-03-large-hadron-collider-tally-hadrons.html

https://cerncourier.com/a/lhcb-observes-four-new-tetraquarks/

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Takeko