粒子物理学大突破,LHC发现第三种“五夸克粒子”

继2015 年科学家宣布发现了理论中的“五夸克粒子”后,欧洲大型强子对撞机(LHC)实验现在再度发现全新的五夸克粒子!随着我们发现越多新粒子,将越能揭开宇宙物质基本结构的奥秘。

基础物理告诉我们,日常生活中的物质都由原子构成,过去科学家将原子当作宇宙中最小的基本粒子,然而随着物理学不断发展,我们知道原子并非不可分割,而是由更小的次原子粒子:质子、中子、电子构成;你以为到这里就是极限了吗?不,继续看下去,质子、中子内部还由更微小的次原子粒子夸克组成。

在目前标准模型框架下,最基本的粒子单位为费米子(包含夸克、轻子)和玻色子(包含规范玻色子、希格斯粒子),这些基本粒子组成(2 个以上)的粒子称作复合粒子;由夸克结合形成的复合粒子称为强子(最稳定的强子即质子与中子),强子可再分成带3 个价夸克的重子(Baryon ),以及1 个价夸克+1 个反价夸克的介子(Meson)。

但在强子之中,物理学家还预言了另外一种“奇异强子(exotic hadron)”的存在,称为五夸克粒子(pentaquark),由4 个夸克和1 个反夸克构成;不同量子数的夸克(有6 种)组合也代表不同粒子,因此五夸克粒子实际上有很多种类。

2015 年时,大型强子对撞机底夸克实验(Large Hadron Collider beauty,LHCb)终于宣布发现2 种全新五夸克粒子,证实半世纪以来的预测,科学家将它们命名为Pc( 4450)和Pc(4380)。当时团队分析表明,五夸克粒子结构可能是 5 个夸克紧密束缚着的单一复合粒子,也可能是由 1 个介子 + 1 个重子借强作用结合,如下图标范比较。

五夸克粒子结构可能是5 个夸克紧密束缚的单一复合粒子(上) ,也可能是 1 个介子+ 1 个重子借强作用结合而成的复合粒子(下)。

现在,LHCb 实验宣布发现了第3 种全新五夸克粒子结构,命名为Pc(4312)!这一次,LHCb 的数据量是当年 10 倍,并且分析指出,五夸克粒子的结构应该类似于 1 个介子+1 个重子,或者说像质子与中子在原子核内结合的方式。

此外,当年科学家以为Pc(4450)是由5 个夸克紧密束缚而成的一个粒子,新研究表明它其实是由Pc(4440)和Pc(4457)两个独立强子构成。

目前已知,这3 种五夸克粒子全部由1 个下夸克(down quark)、2 个上夸克(up quark)、1 个魅夸克(charm quark)和1 个反魅夸克(anticharm quark)组成,然而粒子模型的故事才刚刚开始而已,尽管我们仍未发现任何标准模型之外的粒子,但也许,继续寻找模型内的新粒子便能帮助我们解释神秘暗物质之构成。

读完这篇,你我觉得眼花撩乱是很正常的,就连科学家自己都感到恐慌。著名物理学家恩里科·费米就曾幽默调侃道:“如果我有能力记住所有粒子的名字,那我会成为一名植物学家。”

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