解秘夸克家族新成員及其結(jié)構(gòu)組合

方陵生/編譯

解秘夸克家族新成員及其結(jié)構(gòu)組合

方陵生/編譯

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）發(fā)現(xiàn)在質(zhì)子碰撞中短暫存在的奇異粒子

在粒子物理學(xué)家中，謝爾頓·斯通（Sheldon Stone）素以高標(biāo)準(zhǔn)和近乎嚴(yán)酷的嚴(yán)謹態(tài)度而著稱。在與同事的交談中，他往往會為了質(zhì)疑某個觀點而大聲打斷對方。因此，在斯通談到他和他的同事最近的觀察成果時，他的話顯然是有相當(dāng)可信度的。“我確實認為這很可能將會是一個重大突破?！彼f。

斯通的研究與巨大的粒子探測器LHCb（大型強子對撞機底夸克實驗）相關(guān)，它是由世界上最大的原子對撞機提供支持的4臺粒子探測器之一。而世界上最大的原子對撞機是指瑞士歐洲核子研究中心歐洲粒子物理實驗室的大型強子對撞機（LHC）。

他和他的同事稱，他們已經(jīng)觀察到了原子核的質(zhì)子和中子的新的“奇異表親”。質(zhì)子和中子是由稱為夸克的其他粒子組成，強大的核力量將它們緊密束縛在一起。物理學(xué)家通過高能量粒子碰撞，已能夠生成成百上千由夸克構(gòu)成的粒子，盡管它們都只是轉(zhuǎn)瞬即逝的短暫存在。

夸克粒子可以分為兩類：一類是包括質(zhì)子和中子在內(nèi)的重子，含有三個夸克；另一類是介子，含有兩個夸克。但是去年LHCb研究人員發(fā)現(xiàn)了由五個夸克構(gòu)成的粒子，而同一個研發(fā)團隊在前一年僅確認了由四個夸克構(gòu)成的粒子的存在。

這種被稱為五夸克態(tài)或四夸克態(tài)的粒子，存在時間僅為千萬億分之一納秒。這些古怪的粒子顛覆了我們對夸克之間強相互作用力的已有認知：一種叫做量子色動力學(xué)（簡稱QCD）的復(fù)雜理論?！八鼈冇锌赡茴嵏参覀儗CD理論的理解方式?！泵绹e夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)理論物理學(xué)家埃里克·斯萬森（Eric Swanson）說道。以色列特拉維夫大學(xué)理論物理學(xué)家瑪瑞克·卡林納（Marek Karliner）說道：“在了解什么樣的夸克組合是穩(wěn)定的，什么樣的組合是不穩(wěn)定之前，人們其實并不能真正理解現(xiàn)有的理論?！盠HCb的觀察結(jié)果標(biāo)志著科學(xué)史上又一次罕見事件的出現(xiàn)，一個難以確認想法的再次重現(xiàn)。12年前，有數(shù)個研究團隊發(fā)現(xiàn)了一種與眾不同的五夸克態(tài)粒子，但最后由于其轉(zhuǎn)瞬即逝的特性而未被采信。而LHCb的觀察結(jié)果令五夸克態(tài)粒子的存在“死而復(fù)生”，“我認為這種粒子是真實存在的?！彼谷f森說道。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與組合方式

夸克是構(gòu)成大多數(shù)物質(zhì)的基本成分，但它們的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與組合方式卻相當(dāng)復(fù)雜。就像將帶負電的電子與原子中帶正電的原子核結(jié)合在一起的電磁力一樣，夸克之間的強作用力起到電荷的作用。電磁作用只有一種電荷（或正或負），但強電荷卻有3種，分別以紅色、藍色和綠色三種顏色表示，每種都有其對立面：反紅、反藍和反綠(稱之為色荷)。在一些可能的夸克組合中，色荷疊加在一起會變成無色或白色。因此，重子包含1個紅色夸克、1個藍色夸克和1個綠色夸克，紅色、藍色和綠色疊加起來就會變成白色。而兩夸克態(tài)的介子則包含1個夸克和1個反色反夸克，例如紅色和反紅色夸克結(jié)合在一起成為無色粒子。

讓不同組合的夸克種類變得更為繁雜的是，夸克有6種類型，或者說是6種“味道”：普通物質(zhì)中的上夸克和下夸克、較重的粲夸克和通過粒子撞擊獲得的奇異夸克、頂夸克和底夸克。如果各種不同“風(fēng)格”的夸克結(jié)合在一起，生成粒子的種類就更為壯觀了，但其中絕大多數(shù)新生成的粒子狀態(tài)極不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)瞬即逝。一個質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成；稱為Λb的轉(zhuǎn)瞬即逝的重子包含一個上夸克、一個下夸克和一個底夸克。稱為K-的一種介子包含一個奇異夸克和一個反上夸克。

關(guān)于這些粒子存在的所有證據(jù)都是間接的，因為物理學(xué)家永遠無法觀察到一個孤立的夸克。它們之間的強作用力極為強大，如果你通過撞擊從質(zhì)子中產(chǎn)生一個夸克，這種力量足以從真空中拽出夸克和反夸克產(chǎn)生更多的重子和介子。此外，強子內(nèi)部無數(shù)的“虛”夸克—反夸克“對”處于不斷迅速形成又不斷迅速消逝的過程中?？淇送ㄟ^交換一種稱作膠子的粒子緊緊附著在一起，而這種粒子本身也會交換膠子。粒子的大部分質(zhì)量都是由“虛”的夸克和膠子這種棕色物質(zhì)構(gòu)成的，因此對它們的理論預(yù)測極為困難。

20世紀(jì)70年代，量子色動力學(xué)（QCD）形成之后，物理學(xué)家意識到夸克可能會以三個以上結(jié)合在一起“成簇”的形式出現(xiàn)。由兩個夸克和兩個反夸克（四夸克態(tài)）的或由四個夸克和一個反夸克（五夸克態(tài)）的色荷疊加，形成白色的粒子。瑞典隆德市歐洲散裂中子源（ESS）機構(gòu)的實驗員瓦倫蒂娜·桑托羅（Valentina Santoro）說道：“沒有任何理由告知我們?yōu)槭裁此鼈儾淮嬖?，如果真的找不到它們，我們?yīng)弄明白找不到的原因?！?/p>

發(fā)現(xiàn)與消失、再發(fā)現(xiàn)的過程

2003年，物理學(xué)家認為，他們發(fā)現(xiàn)了一個叫作θ+的五夸克態(tài)粒子。據(jù)認為它含有兩個上夸克，兩個下夸克以及一個反奇異夸克，日本SPring-8加速器實驗室的激光電子—光子（LEPS）探測器上發(fā)現(xiàn)了這種一閃而過的粒子，另外還有9項實驗報告也稱發(fā)現(xiàn)了這種粒子，據(jù)認為這種粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的1.5倍。

然而，隨后θ+消失無蹤，其他實驗沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，之前發(fā)現(xiàn)過它的一些實驗也無法復(fù)制。物理學(xué)家至今仍不能確定，如此多的研究團隊怎么可能會都搞錯了呢？曾參加過其中一個團隊研究的俄亥俄大學(xué)的物理學(xué)家肯尼思·希克斯（Kenneth Hicks）說道：“這是我參與過的研究中最為離奇的一個?！?/p>

其他人則表示，這些實驗結(jié)果并不像所宣稱的那么令人信服。物理學(xué)家尋找θ+粒子的途徑是：假設(shè)它衰變成為某些粒子的組合，在LEPS實驗中，衰變成一個中子和一個k+介子（一個上夸克和一個反奇異夸克）。對于他們所觀察的每一組“中子—k+”對，物理學(xué)家都會用粒子動量計算假設(shè)的θ+的質(zhì)量。如果一些粒子對是θ+衰變的產(chǎn)物，那么計算的質(zhì)量圖示應(yīng)出現(xiàn)峰值，對應(yīng)于相關(guān)的母粒子。但斯通認為，在這類簡單的分析中，研究人員可能會被自己愚弄了，“這些人別的都不做，光是觀察粒子對的質(zhì)量圖的峰值，這樣很容易受峰值調(diào)整產(chǎn)生波動的影響?！?/p>

尋找θ+的意外，給之后尋找四夸克態(tài)和五夸克態(tài)粒子留下了陰影，麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家羅伯特·賈菲（Robert Jaffe）說道：“人們的印象是，這個領(lǐng)域很古怪，其實驗不可靠。”

但即便如此，這類粒子存在的誘人線索還是在頻頻出現(xiàn)。2003年，日本的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類似四夸克態(tài)的粒子，它含有一個粲夸克，一個反粲夸克以及一個輕夸克—反夸克對，他們將其稱作X（3872）。2008年，日本粒子物理實驗室的百麗（Belle）粒子探測器發(fā)現(xiàn)了一個顯然質(zhì)量更重的四夸克態(tài)粒子Z（4430）。過去幾年里，多個實驗室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)若干可能存在的四夸克態(tài)粒子。

現(xiàn)在，LHCb項目的研究人員已證實了百麗粒子探測器發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)粒子的存在，由兩個上夸克、一個下夸克、一個重粲夸克和一個反粲夸克構(gòu)成的五夸克態(tài)粒子的存在也有了有力的證據(jù)。

LHCb的主要目標(biāo)是研究含有一個較重質(zhì)量底夸克粒子的衰變，其行為可為超出物理學(xué)家標(biāo)準(zhǔn)模式的物理學(xué)研究提供線索。為了解另一種粒子衰變的“背景”，斯通和他的同事要求一名學(xué)生對來自Λb（由上夸克、下夸克、底夸克組成的粒子）衰變的殘骸進行分析。斯通說道：“這名學(xué)生有些抱怨，他不認為會有什么線索，但結(jié)果卻有了重大的發(fā)現(xiàn)。”新發(fā)現(xiàn)的信號表明，在衰變的過程中產(chǎn)生了新的粒子。

研究團隊去年在《物理評論快報》8月號上發(fā)表文章稱，事實上，研究結(jié)果指向兩個質(zhì)量略有不同的五夸克態(tài)粒子，較重的一個五夸克態(tài)粒子重約一個質(zhì)子的4.74倍，較輕的那個粒子重約一個質(zhì)子質(zhì)量的4.67倍。

以分子形式還是“夸克口袋”形式存在？

斯通和他的同事原本預(yù)計Λb首先會衰變?yōu)橐粋€J/ψ（粲夸克和反粲夸克）和一個Λ（上夸克、下夸克和奇異夸克），隨后Λ會衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子和K-。然而他們發(fā)現(xiàn)，有時Λb似乎會另辟蹊徑，結(jié)果卻是殊途同歸，衰變成一個K-和五夸克態(tài)粒子，然后這個五夸克態(tài)粒子衰變?yōu)橘|(zhì)子和J/ψ。這兩個五夸克態(tài)粒子在質(zhì)子-J/ψ的質(zhì)量圖示中顯示為峰值。

然而，LHCb研究人員所做的不只是發(fā)現(xiàn)幾個質(zhì)量峰值。他們還要從大量數(shù)據(jù)中獲取更多信息，他們甚至還繪制出了完整的波浪形量子振幅，用以描述從一個Λb衰變?yōu)橐粋€五夸克態(tài)粒子和一個K-的過程，然后繼續(xù)衰變?yōu)镴/ψ和質(zhì)子的過程，并對粒子在不同角度、動量和自旋狀態(tài)出現(xiàn)的可能性進行了編碼。在這具有里程碑意義的探索中，研究人員需要弄明白那些振幅互相之間如何配合才能達成研究人員的預(yù)期結(jié)果，分析結(jié)果清晰地揭示了兩個五夸克態(tài)的振幅，斯通認為，這是比質(zhì)量峰值更為明確的信號。

斯通說道，一開始，LHCb研究人員自己對研究結(jié)果也難以置信?！拔覀儠f，‘哦，五夸克嗎？這是真的嗎？’我們花了比做其他任何實驗更多的時間反復(fù)查驗。”2014年，LHCb團隊用類似的方法證實了Z（4430）四夸克態(tài)的存在，它包含一個底夸克、一個反上夸克和一個粲夸克-反粲夸克對。

“我相信，這（新夸克粒子的發(fā)現(xiàn)）將有可能成為一個重大突破?！卞a拉丘茲大學(xué)的謝爾頓·斯通說道

但是，如果這些粒子是真實存在的，那么它們又是如何組合在一起的呢？四夸克態(tài)與五夸克態(tài)可能更像由兩夸克介子和三夸克重子組成的分子，這種結(jié)合方式不是通過膠子的交換，而是通過由夸克構(gòu)成、被稱為π介子的粒子的交換。事實上，卡林納和伊利諾斯州的芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家喬納森·羅斯納（Jonathan Rosner）稱，在他們開發(fā)的模型中，已對四夸克態(tài)的大部分和LHCb的一個五夸克態(tài)進行了解釋。

物理學(xué)家們無法對這些粒子的生命周期進行直接測量，但他們可以從粒子質(zhì)量或“寬度”的不確定性，推斷出其存在時間：寬度越窄，壽命越長。四夸克態(tài)粒子和五夸克態(tài)粒子的寬度都比通過強相互作用衰變的粒子要窄。類似于分子的結(jié)構(gòu)有利于生存更長時間，因為這種結(jié)構(gòu)可將夸克之間阻隔開來，阻止它們即刻形成新的粒子并迅速破裂。希克斯說：“顯然存在某種阻止重新結(jié)合的屏蔽，如果它們都被裝在一個袋子里，就不會有什么屏蔽了?！?/p>

但分子模型無法解釋LHCb發(fā)現(xiàn)的兩種不同的五夸克態(tài)粒子，斯通說道，也不能解釋五夸克態(tài)粒子的自旋等行為細節(jié)。這場辯論對于量子色動力學(xué)理論有著更深層次的意義，匹茲堡大學(xué)的斯萬森說道。如果分子圖片是正確的，那么只要對量子色動力學(xué)理論進行相對較小的調(diào)整，物理學(xué)家就可以將20世紀(jì)40年代開發(fā)的針對原子核的π介子交換理論應(yīng)用于存在時間更短的粒子。斯萬森認為，每個粒子可能更像一個連續(xù)的“夸克場”，這個夸克場中在每一個節(jié)點上都會形成其組成部分的粒子。例如20世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院的賈菲認為，強子中的夸克在互相環(huán)繞的運動中可形成另一種短暫的成對關(guān)系，被稱為雙夸克。如果是這樣，一個重子被描述為一個夸克和一個雙夸克的不斷變化狀態(tài)也許更恰當(dāng)一些。但賈菲告誡說，在理論上，分子和夸克口袋之間并沒有真正的區(qū)別。

但仍然不排除五夸克態(tài)和四夸克態(tài)并不是真實存在的可能性，例如LHCb人員在另一種粒子Λb的衰變中看到的五夸克態(tài)粒子。但也有可能是：介子和重子不同組合的產(chǎn)物形成的陰影效果，產(chǎn)生了被誤認為五夸克態(tài)衰變的錯誤信號。這樣的“閾值”效應(yīng)是很難排除的，ESS的桑托羅說道，因為很容易找到粒子的另一種組合，結(jié)合在一起達到觀察到的質(zhì)量。物理學(xué)家說，對于五夸克態(tài)和四夸克態(tài)的描述，哪個才是正確的，必須要有更多的證據(jù)?？淇丝诖头肿幽Ｐ皖A(yù)測的應(yīng)該是不同質(zhì)量、不同旋轉(zhuǎn)方式和不同組合方式的四夸克態(tài)和五夸克態(tài)粒子。例如，卡林納說，由于介子結(jié)合方式的不同，他的分子模型允許一些介子組合綁定在一起，但禁止其他的組合。這就限制了實驗者能看到的五夸克態(tài)粒子和四夸克態(tài)粒子的范圍。

但即使能夠找到大量新粒子，實驗數(shù)據(jù)能證明的東西仍然比預(yù)期的要少。模型是有彈性的，可調(diào)整的，賈菲說道：“當(dāng)實驗者發(fā)現(xiàn)一種模型出現(xiàn)無法解釋的狀態(tài)，總會有理論家滲合進來修正模型?！弊罱K，強大的計算機模擬能力也許可能為我們找出答案，物理學(xué)家說。但即使計算機模擬可以處理奇異粒子，但是否能夠提供一個清晰而可靠的答案仍未可知?！案赡艿氖乔闆r是這樣的，（一個五夸克態(tài)粒子）40%的時間是在重子-介子分子內(nèi)，40%的時間是在五夸克態(tài)袋子里?！毕？怂拐f。

至少，物理學(xué)家們已開始意識到，五夸克態(tài)粒子和四夸克態(tài)粒子是真實存在的，但它們的結(jié)合方式之謎是否能夠破解，讓我們一起來期待吧。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：岳峰]