@ 2017.12.09 , 12:00

由四种夸克构成的粒子

一个凭空猜测的理论,预言了一种不可捉摸的物质形态,叫做四夸克态。现在,我们已经找到了这些奇怪的粒子存在的坚实的理论证据——而且是找到了两个。这也为我们对亚原子的理解能更上一层楼,提供了必要的阶梯。

“我们并不认为它是完全理论上的假说,”费米国家加速器实验室的理论物理学家Chris Quigg说,“我们认为早晚能找到它。”

如果你在高中所学的化学和物理知识早就还给了老师,我们会在下面引用百科上的简单解释。

由四种夸克构成的粒子
Credit 123RF

夸克是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来;只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因,我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。所有的中子重子都是由三个夸克组成的,比如质子,中子;反中子反重子则是由三个相应的反夸克组成的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

我们知道夸克有六种,夸克的种类被称为“味”,它们是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)。

现在,两支独立的科学家团队相信,他们已经找到了一个全新形式的夸克构成的粒子的坚实理论证据,它被称为四夸克态——一种由四个夸克组成的稳定结构。

研究人员已经不是第一次提出存在四夸克态的证据了——本世纪以来,已经陆续有科学家提出了一些四夸克粒子的候选者。当然这些发现主要是从理论上推导,科学家们没有在任何场合观察到这种粒子。

去年,费米实验室的一支团队宣布发现了一个与四夸克性质相一致的粒子——大型强子对撞机(LHCb)实验的研究人员进一步实验发现,它们可能不是一种,而是全新的一族四夸克态粒子。

但是,想要重复他们的实验并不简单,因为该研究领域仍然非常奇特。

Quigg对《物理世界》说:“在涉及夸克的情况下,人们总是可以提出另外的解释”

在四夸克态(以及类似的假设的五夸克态)之外,理论上通常认为两个或三个夸克可以合起来形成一个复合粒子——在夸克——反夸克对或者三个夸克中——但不会更多。

但是在新的研究中,Quigg和费米实验室的物理学家Estia Eichten以及以色列特拉维夫大学和芝加哥大学的联合团队已经表明,有可能存在稳定的四夸克粒子。

通过不同的理论解释,两个团队都预言四夸克可以由两个底夸克和一个反上夸克以及一个反下夸克构成——反夸克与夸克一样,只是所带电性相反。

虽然所采用的方法不同,但特拉维夫大学的研究人员Marek Karliner指出,两个团队的结论“在性质上基本相同”。

物理界认为这是一个积极的迹象,因为它或许意味着我们这次最终找到了四夸克态——那将是一个惊人的结果,因为正如Karliner告诉Live Science,“科学家多年来一直怀疑,四夸克粒子是不可能存在的”。

现在还远远没有结束。虽然我们已经得到了四夸克存在的最坚实的理论证据,但是仍然需要通过实验具体找到它来证明它自身的真实性——无论是在CERN的大型强子对撞机上,还是在别的什么粒子加速器上。

确凿的实验证据还一切未知,但对于Quigg来说,似乎毫无担忧之感。

他对Gizmodo网站说:“我们推导出的东西太奇特了,以至于不可能是别的东西。未来只是确认一下而已。”

这些研究结果在《物理评论快报》(Physical Review Letters)中发表。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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