國(guó)際科學(xué)家在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)五夸克態(tài)新粒子 清華團(tuán)隊(duì)參與
來(lái)源：觀察者網(wǎng) 2015-7-15
世界上最大的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室——?dú)W洲核子研究中心（GERN）14日宣布，通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）發(fā)現(xiàn)了新粒子——五夸克粒子。國(guó)際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到由五夸克組成的重子態(tài)，首次確認(rèn)五夸克態(tài)的存在，證實(shí)半個(gè)多世紀(jì)前的預(yù)測(cè)。
早在上世紀(jì)60年代科學(xué)家就曾預(yù)測(cè)五夸克態(tài)可能存在，然而同“上帝粒子”一樣，五夸克粒子在此前幾十年中一直是個(gè)謎。
這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生于LHC底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb），意味著科學(xué)家找到了物質(zhì)的新形式。LHCb中國(guó)組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)高原寧教授接受采訪時(shí)說(shuō)：“LHCb的實(shí)驗(yàn)，使人們相信自然界中除了常規(guī)物質(zhì)，確實(shí)存在奇特態(tài)物質(zhì)。”此項(xiàng)研究由清華大學(xué)和美國(guó)雪城大學(xué)的研究人員，以及LHCb國(guó)際合作組成員共同完成。相關(guān)研究已提交到《物理評(píng)論快報(bào)》期刊。
1964年，兩位科學(xué)家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格獨(dú)立提出了夸克模型。他們認(rèn)為重子和介子是由其他三種更基本的粒子構(gòu)成的（三夸克態(tài)），這樣它們的關(guān)鍵特性才能得到很好的解釋。他們的理論模型也涵蓋五夸克粒子的存在——這種理論上存在的粒子由四個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成。所謂反夸克就是普通夸克粒子的反粒子。
夸克是一種基本粒子，構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，我們所知的夸克有6種，夸克的種類(lèi)被稱(chēng)為味，名字都很奇特，分別叫上、下、粲、奇、底、頂。夸克的不同組合形成了各種復(fù)合粒子，其中比較有名的就是中子和質(zhì)子，都包含三個(gè)夸克。
之前曾有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)五夸克粒子，但其研究結(jié)論相繼被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)推翻。2013年北京譜儀實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的Zc（3900）粒子被認(rèn)為是四夸克態(tài)存在的證據(jù)，對(duì)于5個(gè)夸克如何構(gòu)成奇特重子，“一種觀點(diǎn)認(rèn)為5個(gè)夸克構(gòu)成緊密的統(tǒng)一體，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為這是由一個(gè)重子和一個(gè)介子相互作用構(gòu)成的類(lèi)似于分子的結(jié)構(gòu)。”清華大學(xué)副教授張黎明表示，更深入的研究正在進(jìn)行。
在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的這次研究中，物理學(xué)家觀測(cè)了一種叫做λb的粒子在LHCb中衰退或轉(zhuǎn)換為三種其他粒子的方式。研究發(fā)現(xiàn)，在三種粒子產(chǎn)生過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)居間態(tài)粒子。“我們分析了這些信號(hào)的所有可能性并得出結(jié)論，只有五夸克粒子能夠解釋它們。” LHCb的物理學(xué)家托馬斯·斯克瓦爾尼茨基表示。
之前的研究只是測(cè)量所謂的質(zhì)量分布，也就是在背景“噪音”中會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)峰值——科學(xué)家會(huì)在這里尋找新粒子存在的跡象。但是LHC允許科學(xué)家從四個(gè)更多的角度進(jìn)行分析，也就是粒子按不同方向在LHCb中進(jìn)行碰撞時(shí)產(chǎn)生的角度。而且多種角度的觀測(cè)均指向同一結(jié)論。
“我們把這個(gè)問(wèn)題從一維變成了五維……我們可以描述衰退過(guò)程中發(fā)生的一切。” LHCb的物理學(xué)聯(lián)絡(luò)員帕特里克·格本伯格向英國(guó)廣播公司表示：“我們所看到的只可能由未曾觀測(cè)過(guò)的新粒子產(chǎn)生，不可能是其他物質(zhì)。”
“五夸克粒子不僅僅是一種新粒子，” LHCb發(fā)言人蓋·威爾金森評(píng)價(jià)道：“它代表普通的質(zhì)子和中子的基本組成單元——夸克新的組合方式，它們的組合類(lèi)型在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)的研究中從未被發(fā)現(xiàn)過(guò)。”
下一步科學(xué)家將進(jìn)一步研究在五夸克態(tài)中，夸克是如何組合在一起的。
“這是LHCb實(shí)驗(yàn)在強(qiáng)子譜研究上最激動(dòng)人心的結(jié)果。”清華大學(xué)副教授楊振偉說(shuō)。他目前是LHCb實(shí)驗(yàn)“底強(qiáng)子與夸克偶素”物理工作組的召集人，這項(xiàng)研究就在該工作組完成。LHCb是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置之一，合作組由16個(gè)國(guó)家68個(gè)單位的1133名成員組成。“通過(guò)大型國(guó)際合作，最高水平的專(zhuān)家和學(xué)生一起探索，不斷促進(jìn)人類(lèi)對(duì)自然界本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。”LHCb中國(guó)組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)高原寧教授說(shuō)。
