@ 2019.06.10 , 21:22

大型强子对撞机实验揭示了神秘的五夸克亚原子粒子的内部结构

最新的大型强子对撞机实验证实,神秘的五夸克亚原子粒子——几年前才被发现——实际上是由两组夸克组成的类分子粒子。

一组夸克形成介子——一种含有夸克和反夸克对的粒子;另一组有三个夸克组成重子——构成宇宙中大部分正常物质的亚原子粒子,包括质子和电子。

这证实了夸克不仅是像离散的弹珠一样挤在一起,而且结构更像是质子和中子在原子核中的结合方式——研究人员称之为“类分子”态。

以前,我们对这些短寿命粒子的认知,主要是基于大型强子对撞机(LHC)在首次观测期间所收集到的数据。当时,粒子物理学家第首次观察到2种五夸克粒子,Pc(4450)+和Pc(4380)+。

粒子名称中的数字是以兆电子伏为单位换算出的质量,它们无疑是硕大的亚原子粒子,其质量超过质子质量的四倍。反复研究之后,团队只能得出它们是由五个夸克组成的粒子。

关于夸克

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。所有的重子都是由三个夸克组成的,比如质子,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)。

今年早些时候我们又发现了一种新型的五夸克粒子。

现在,随着LHC的第二次实验运行完成,该团队收获的碰撞数据量是第一次的9倍。

在其中,他们不仅仅新发现了五夸克粒子Pc(4312)+ ,还发现原来Pc(4450)+是两种独立的五夸克粒子信号重叠制造出的假象:Pc(4440)+和Pc(4457)+ 。

因此,总共产生了4个五夸克粒子,Pc(4312)+、Pc(4440)+、Pc(4457)+和Pc(4380)+。考虑到将粒子结合在一起时所需的能量,前三个粒子的夸克团与介子—重子的配对结构相互一致。

当然,还存在一种可能性就是,它们的结构其实并非如此,结构关系表现出的相似性纯粹是出于巧合;但这种可能性较小。

五夸克“分子态”可能也不是这些颗粒的唯一结构,或许存在更奇怪的分子态尚待发现。

当然,更多的研究和数据将有助于解开谜团。例如,一支独立的物理学家团队已经确定,分子态意味着存在4种尚未发现的五夸克粒子结构——也许更多的碰撞数据可以帮助找到它们。

该研究发表在Physical Review Letters上。

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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