改变物理学家的“黑历史”

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Harry Cliff（剑桥大学粒子物理学家）、Tim Gershon（华威大学粒子物理学教授），编译：Takeko，题图来自：视觉中国

在过去的几年里，物理学家在大型强子对撞机（LHC）的对撞实验中发现了大量新的奇异粒子，其中LHCb合作组的发现占据了绝大多数，包括59种新粒子。

然而，随着新粒子层出不穷，对它们的命名也随之出现了问题。近日，LHCb合作组提出了一个新的粒子命名方案，希望帮助人们为不断增长的粒子领域带来一些更清晰的规则和秩序。

物理学家的“黑历史”

粒子物理学家在起名这件事情上似乎出了名地“笨拙”，他们在粒子命名方面有一段“著名黑历史”。

在20世纪，随着越来越多的粒子被发现，粒子命名法变得越来越令人摸不着头脑。例如，在粒子物理学的标准模型中，有一类粒子被称为轻子，包括“electron”（电子）、“muon”（μ子），然后还有“tau”（τ子），但它却不叫“tauon”。

再举个例子，在20世纪70年代，有两个竞争团队独立地发现了一个由两个夸克构成的新粒子。然而，这个新粒子究竟该被称为J还是ψ，他们无法达成一致。最终，他们尴尬地将这两个名字揉在了一起，于是就有了J/ψ。

即使在今天，物理学家也无法就第五重的夸克名称达成一致，它究竟叫底夸克，还是美夸克？因此，你会看见这两个名字时常被互换使用。

更不要说一种被称为“超对称”的理论所预言的让人舌头打结的粒子名称了。超对称理论表明，我们目前所知的每一个粒子，都有一个（尚未发现的）“超伙伴”，比如超夸克（squark）、超μ子（smuon）或者超胶子（gluino）……

有科学家打趣地说，“我私心希望永远不会发现超对称，这样我们就不再需要用到这些听上去有点蠢的词了”。

复合强子

LHC一直是被称为新强子的宝库。强子是由两个或以上夸克构成的亚原子粒子。原本这些粒子可以分为两种类型：重子和介子。

重子由三个夸克组成，比如构成原子核的质子和中子。而介子则由一个夸克与一个反夸克（与夸克质量相同但电荷相反的反粒子）配对而成的。

尽管只有6种不同类型的夸克，而且其中只有5种会构成强子，但仍然存在大量可能的组合。

在20世纪80年代，粒子物理学家为强子动物园设计了一个命名方案，为每个粒子分配了一个符号，比如用希腊字母π表示π介子，也就是最轻的介子。

长期以来，所有新发现的粒子都可以被分为重子或介子，然后纳入这一命名方案。但直到几年前，科学家还发现了由三个以上夸克构成的奇异强子。例如，由两个夸克和两个反夸克构成的四夸克，以及由四个夸克和一个反夸克（或者反过来）构成的五夸克。

第一个明确的四夸克候选被称作Zc态，这个名字是一个随机的选择，因为X和Y已经被用来标记其他态。随后，科学家又发现了惊人的五夸克态，并将它称为Pc。

自2019年左右起，粒子发现的步伐明显加快，诸如X、Zcs、Pcs和Tcc等名称几乎都是以临时方式分配的，带来了一碗名副其实的粒子“字母汤”。

因为新粒子命名缺乏逻辑性，也不可避免地带来了一些混乱。例如，一个格外突出的问题是，Zc和Pc中的下标 “c”，代表了这些强子同时包含粲和反粲夸克，它们有时被称为“隐粲”。而Zcs和Pcs中的下标“s”，则代表这些强子还包含一个奇夸克，这种情况也叫“开奇”。

那么，像近期被发现的同时包含了“开粲”（只有粲夸克而没有反粲夸克）和“开奇”的态的新粒子，又该怎么命名和区分呢？

近期发现的五夸克。（图／CERN）

新提出的命名方案

由于新发现的态的范围和它们的名称可能变得更加令人困惑，LHCb合作组的粒子物理学家决定，对新发现的粒子来说，是时候尝试恢复一些命名的秩序了。

新提出的命名方案遵循着一些指导原则。首先，基本概念应该足够简单，让非专业人士也能大致理解，比如，基本符号用T代表四夸克（tetraquark），P代表五夸克（pentaquark）。

这套命名方案还应该能区分所有可能的组合，这可以通过增加上下标实现。它们负责表示每个粒子是由哪些夸克组成的，以及其他量子信息。但这些应该与传统介子和重子的现有方案一致，也就是重新利用一些现有的符号。

然而，目前对奇异强子的命名仍需改变。例如，上面提到的Zcs和Pcs态将分别被改为Tψs和Pψs，因为J/ψ粒子包含隐粲，换言之，命名通过ψ和c的下标清晰地区分开了隐粲和开粲。

LHCb合作组表示，这种命名方案的最后一个指导原则是，它应该被更广泛的粒子物理学界所接受。

尽管LHCb合作组发现了大部分新粒子，这给了他们一些命名权，但在这一领域还有其他正在进行和计划进行的实验，对于科学的进步同样至关重要。

LHCb合作组会与不同的团队讨论了新的命名方案的一般原则和细节，并将积极和建设性的反馈意见纳入最终版本。

学术交流的重要部分

20世纪50年代的粒子物理学，一个粒子动物园逐步被发现，并最终带来了传统强子的夸克模型。

如今，科学家也正在创造“粒子动物园2.0”，更好地理解夸克如何结合在一起，成为复合粒子。

命名方案实际上是从事粒子物理研究的人之间交流语言的一个重要部分。团队希望，这一新方案将有助于正在进行的对强子和它内部的强力的探索。

新的实验结果，包括新强子的发现，都在推动理论理解的进步。进一步的发现可能终会带来飞跃性的突破。

参考来源：https://theconversation.com/even-scientists-cant-keep-up-with-all-the-newly-discovered-particles-our-new-naming-scheme-could-help-187463

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Harry Cliff（剑桥大学粒子物理学家）、Tim Gershon（华威大学粒子物理学教授），编译：Takeko