新發(fā)現(xiàn)！夸克聚變！

陳生梅+李梅霞+瑞安·F.曼德?tīng)桋U姆

瑞士大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目的科學(xué)家宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種令人激動(dòng)的新粒子，或者說(shuō)是粒子結(jié)合體。這種粒子的影響力遠(yuǎn)不及5年前被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，但也著實(shí)讓人議論紛紛，許多人都想從陳舊實(shí)驗(yàn)中得出眾多頗有爭(zhēng)議的新結(jié)果。

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的底夸克探測(cè)器（LHCb）發(fā)現(xiàn)了一種新粒子：雙粲重子，又被稱為Ξcc++。你或許還記得原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子有兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克，帶一個(gè)單位正電荷。中子則具有一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克，電荷為零。新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子含有一個(gè)上夸克和兩個(gè)粲夸克，帶兩個(gè)單位電荷。

來(lái)自荷蘭國(guó)家核物理研究院的物理學(xué)家帕特里克·科彭伯格說(shuō)：“我們需要成對(duì)的粲夸克，但同一個(gè)粒子中含有兩個(gè)粲夸克非常罕見(jiàn)?！濒涌淇耸且阎牧N夸克之一，另外五種分別是上夸克、下夸克、奇異夸克、頂夸克和底夸克。他說(shuō)其中最重的是粲夸克、底夸克（又稱美夸克）和頂夸克（又稱真夸克），但是頂夸克太重，無(wú)法與其他夸克一起排列。理論上來(lái)講，其余的夸克可以排列進(jìn)含有2個(gè)至5個(gè)夸克的群組，而且如果物體溫度夠高，還可以融進(jìn)夸克液體中。

但“含有兩個(gè)重夸克，一個(gè)粲夸克或底夸克”且?guī)в?個(gè)或3個(gè)以上夸克的“大多數(shù)這類粒子”尚未發(fā)現(xiàn)?？婆聿裾f(shuō)：“從某種意義上來(lái)講，這還是頭一次?！?/p>

科彭伯格說(shuō)，早在2002年，就出現(xiàn)了一個(gè)頗具爭(zhēng)議的結(jié)果，當(dāng)時(shí)配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）團(tuán)隊(duì)在伊利諾伊州的費(fèi)米國(guó)立加速器實(shí)驗(yàn)室宣稱，他們發(fā)現(xiàn)了一種名為Ξcc+的粒子，即帶有單電荷的雙粲重子（注意是一個(gè)加號(hào)而不是兩個(gè)）。這種粒子同樣含有兩個(gè)粲夸克，但與底夸克探測(cè)器（LHCb）發(fā)現(xiàn)的新粒子不同的是，它含有一個(gè)下夸克。一個(gè)加號(hào)的粒子也有一個(gè)跟質(zhì)子一樣的基本電荷。

科彭伯格說(shuō)，隨后又有數(shù)次實(shí)驗(yàn)想再現(xiàn)配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）團(tuán)隊(duì)的粒子，但都沒(méi)能成功。新粒子的出現(xiàn)使人們更加懷疑配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)發(fā)現(xiàn)的真?zhèn)??？婆聿裼盅a(bǔ)充道：“底夸克探測(cè)器（LHCb）發(fā)現(xiàn)的粒子與配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的粒子質(zhì)量截然不同，他們提出的那個(gè)質(zhì)量根本就不可能存在。”新的雙粲重子的質(zhì)量約為3600兆電子伏，相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的4倍。兩種粒子的組成差別只在于很輕的上、下夸克之間，不過(guò)，配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的粒子的

質(zhì)量還不到100兆電子伏。

即將發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇由歐洲核子研究委員會(huì)（CERN）撰寫的論文指出，過(guò)去試圖重現(xiàn)配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)粒子的實(shí)驗(yàn)與原初實(shí)驗(yàn)不同，因此，這些“結(jié)果并不能說(shuō)明原始數(shù)據(jù)有問(wèn)題”。

我拜訪了卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的物理學(xué)教授兼配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)團(tuán)隊(duì)發(fā)言人詹姆斯·拉斯，我去的時(shí)候他恰好在看這篇論文。他告訴我，這兩種有爭(zhēng)議的粒子的確不同，并說(shuō)配基系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)團(tuán)隊(duì)的結(jié)論沒(méi)有問(wèn)題。他支持自己實(shí)驗(yàn)中觀察到的粒子，并說(shuō)底夸克探測(cè)器的結(jié)果也很重要。他補(bǔ)充道：“新的觀察資料會(huì)推動(dòng)理論向某個(gè)特定方向發(fā)展，因此底夸克探測(cè)器的結(jié)果的確也很重要?！?/p>

拉斯看過(guò)底夸克探測(cè)器的論文之后說(shuō)：“底夸克探測(cè)器的結(jié)論頗為可信?！彼J(rèn)為很輕的下夸克造成了如此大的質(zhì)量差異，不太可能與夸克性質(zhì)的差異有關(guān)?！皟蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)分析似乎都沒(méi)有錯(cuò)，如果兩者都存在，那么應(yīng)該就有相關(guān)理論闡釋為何同樣是雙粲重子的系統(tǒng)，卻表現(xiàn)得如此不同。”

這些問(wèn)題研究起來(lái)都是困難重重。科學(xué)家正在極力探尋難以捕捉的粒子，它們的速度不到1皮秒， 或者說(shuō)是兆分之一秒。但是由于它們的移動(dòng)速度接近光速，在衰變成底夸克探測(cè)器實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的粒子之前，仍然運(yùn)動(dòng)了數(shù)毫米。特定粒子能啟動(dòng)一個(gè)觸發(fā)器，以保存實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)分析。再現(xiàn)粒子留下的特定軌跡可以幫助研究人員搞清楚他們是否找到了自己想要的粒子。

這種粒子作為一個(gè)信號(hào)出現(xiàn)在其他物理和其他粒子飛過(guò)探測(cè)器產(chǎn)生的背景噪聲上。因此，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，12西格瑪?shù)囊饬x重大，能說(shuō)明他們觀察到的絕不可能是碰巧看起來(lái)像新粒子的任意噪音。

無(wú)論過(guò)去的結(jié)果怎樣，與我交談的底夸克探測(cè)器團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家均指出，這種新發(fā)現(xiàn)的粒子使他們從總體上更好地了解粒子物理學(xué)，并能進(jìn)一步細(xì)化他們的相關(guān)理論，探討夸克聚合時(shí)的反應(yīng)。

錫拉丘茲大學(xué)物理學(xué)家謝爾登·斯通這樣說(shuō)：“我們深知自然界中存在比先前所知更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?！背嗽趯?shí)驗(yàn)中，這種新粒子不可能真正存在于地球上，但可能存在于宇宙大爆炸后，當(dāng)時(shí)宇宙物質(zhì)變得高度密集，溫度極高。了解夸克自行排列的方式可能會(huì)進(jìn)一步洞察原始時(shí)代的物理學(xué)。

斯通說(shuō)：“反駁某種理論能讓人興奮不已，大批理論家都對(duì)新粒子虎視眈眈。”

另一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)，在一對(duì)夸克之間可能存在一個(gè)產(chǎn)生這種粒子的聚變反應(yīng)，而另一些則釋放能量。對(duì)于如何尋找這樣的反應(yīng)，他們有一些想法，但夸克炸彈很快問(wèn)世則沒(méi)有可能。底夸克和粲夸克的短暫壽命阻礙了這種反應(yīng)的實(shí)際應(yīng)用。

雙粲重子由一個(gè)上夸克和兩個(gè)粲夸克組成。將這些粲夸克結(jié)合在一起需要耗費(fèi)相當(dāng)大的能量，之后將剩余的能量釋放。釋放量相當(dāng)于太陽(yáng)內(nèi)部發(fā)生核聚變反應(yīng)所產(chǎn)生的能量。這個(gè)量在個(gè)體反應(yīng)中相對(duì)較小，甚至比發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)的能量總數(shù)還要小，但若假設(shè)它發(fā)生在亞原子粒子中，那這個(gè)量算很大了。

學(xué)者寫道：“假設(shè)合成粒子真的存在，那么基于較重的底夸克的聚變反應(yīng)可以釋放出比雙粲重子多10倍的能量?！比欢?，想要實(shí)現(xiàn)這種反應(yīng)十分困難。我們所知道的底夸克只停留不到1秒，在歐洲核子研究委員會(huì)LHCb實(shí)驗(yàn)的2-22毫米之間游弋，隨后就失去能量，變成像在大氣層中碎裂的流星一樣的粒子。

除了這種科幻小說(shuō)般不切實(shí)際的“夸克聚變”之外，還有一些令人振奮的消息。華盛頓大學(xué)物理學(xué)家杰拉爾德·米勒在《自然新聞與觀點(diǎn)》一書中寫道：“高度結(jié)合能量意味著或許還有包含粲夸克或底夸克，而非上、下夸克的異原子。”誰(shuí)知道呢？這就是物理。宇宙間的一切都奇奇怪怪，地球也不例外。