LHC发现奇异的五夸克粒子

时间:2016-05-08 22:01 | 来源:证券时报网 | 作者: | 点击:


  欧洲核子中心(CERN)的科学家在大型强子加速器(LHC)中的高能质子碰撞碎片里,找到了理论预言的一种五夸克粒子存在的切实证据。

  

图片来源:CERN/LHCB COLLABORATION

  2003年,一些物理学家曾以为自己看到了一种由5个夸克组成的奇异亚原子粒子的踪影,而现在,欧洲核子中心(CERN)的科学家在大型强子加速器(LHC)中的高能质子碰撞碎片里,终于已经找到了这种五夸克粒子存在的切实证据。

 

  LHC四个主要探测器之一LHCb的发言人盖伊•威尔金森(Guy Wilkinson)表示,该发现填补了夸克理论中重要的一环。夸克理论是物理学家盖尔曼在1964年提出的,该理论认为构成原子核的质子和中子各自都由三个夸克组成,而另外一类粒子,介子也是由夸克或反夸克成对组成的。盖尔曼的理论还预言了五夸克粒子(pentaquark)的存在,它们由四个夸克和一个反夸克组成,然而在近五十年来都没有发现五夸克粒子的存在证据。这虽然还不至于让夸克理论陷入争议,但也日益让物理学家们感到棘手。

  为了探寻这种难以捉摸的粒子,威尔金森和同事们研究了LHCb探测器内质子碰撞产生的Λb粒子的衰变。他们测量了两种衰变产物(一种是质子,另一种是叫做J/ψ的介子,由粲夸克和其反夸克组成)的复合能量,并记录了在所研究的数千次碰撞中,它们达到每一个能量值的次数分别是多少。科学家发现,粒子复合能量在某一个特定数值(约为质子质量的5倍少一点点)附近出现的频率远高于随机值。根据爱因斯坦质能方程E = mc2,能量和质量是等价的,因此研究者推断,这个能量代表着一个由两个上夸克、一个下夸克、一个粲夸克和一个反粲夸克组成的“粲素”(charmonium)五夸克粒子。

  LHCb关于这一发现的原始数据在2011与2012年就收集到了,但威尔金森的团队并未第一时间公开发现,这是因为在2003年全球曾经有十多个研究组都表示发现了一种名为θ+的五夸克粒子,但稍后更仔细的研究表明所有这些“发现”都是幻影。

  为了证明他们的发现的粒子是切实存在的,LHCb研究组不仅分析了在CERN进行的所有碰撞实验的能量数据,还分析了跟粒子运动方向相关的数据,最终发现,只有假设Λb衰变过程中产生了两个质量分别为4.45GeV和4.38GeV的粲素五夸克粒子(质子的质量为0.94GeV),才能让实验结果与理论模型完美符合。研究论文已经上传到了论文预印本网站arXiv,并提交给了《物理评论快报》期刊。

  CERN研究组之外的科学家也认为该发现较为可信。俄亥俄大学的肯•希克斯(Ken Hicks)表示:“他们似乎找出了五夸克态存在的切实证据。”卡内基梅隆大学的柯蒂斯•迈耶(Curtis Meyer)表示:“我读了这篇论文,并没有找到任何可能存在问题之处。”不过他也指出,对于这种级别的发现来说,反复确认和证实是非常重要的。

  经过两年的休整以后,LHC于4月重启,并开始在更高的能量下运行。LHCb得到最新的数据之后,科学家便可以研究五夸克粒子的结构了。威尔金森说,现在我们还不知道在这种新的粒子中的五个夸克是都紧紧地束缚在一起呢,还是3+2的类似分子的结构:三个夸克束缚在一起形成类似质子和中子的结构,另外两个夸克束缚在一起形成介子。

  威尔金森还表示,处在坍缩过程中的恒星也可能形成类似的五夸克粒子,因此这一新发现或许可以帮助我们了解恒星的组成与演化。LHC重启之后,科学家或许还能从新的数据中找到其他不同质量的的五夸克粒子。“如果只有这一种五夸克粒子存在于该体系中,那就很奇怪了,”威尔金森说,“应该还有很多其他种类的五夸克粒子,我们要做的就是找到它们。” (撰文:Edwin Cartlidge,翻译:丁家琦)

 

原文链接;

http://news.sciencemag.org/physics/2015/07/strange-new-subatomic-particles-discovered-atom-smasher

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