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大型强子对撞机,最新突破性发现由四个夸克组成的未知新粒子

2021-07-21 14:52     LHC欧洲核子研究中心
大型强子对撞机首次观测到一个由四个粲夸克组成的奇异粒子。大型强子对撞机(LHC)合作观察到了一种前所未见的四夸克粒子,这一发现在欧洲核子研究中心(CERN)研讨会上公布,并发表《arXiv》上,这很可能是物理学家以前从未见过的一类,以前未被发现粒子中的第一个。这一发现将帮助物理学家更好地理解夸克,夸克是一种基本粒子,是所有物质的基本组成。

夸克有六种类型:上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。夸克一起形成被称为强子的复合粒子,其中包括质子和中子。这一突破性的新发现现,在可以帮助科学家理解夸克将自己“捆绑”在一起形成这些复合材料的复杂方式。夸克通常三三两两地结合在一起,形成强子。然而,几十年来,理论物理学家一直预测存在四夸克和五夸克强子,它们有时被描述为四夸克和五夸克。

近年来,包括大型强子对撞机在内的实验,已经证实了几个这样的奇异强子存在(如已发现五夸克)。这些由夸克不同寻常的组合,组成的粒子是研究已知四种自然力中的一种,即结合质子、中子和组成物质原子核强相互作用的理想“实验室”。对强相互作用的详细了解,对于确定新的、意想不到的过程是新物理学的标志,还是仅仅是标准物理学来说也是至关重要。

奇特中的奇特

由四个夸克组成的粒子已经很奇特了,现在大型强子对撞机发现的新粒子,竟是第一个由四个相同类型的粲夸克组成,特别是两个粲夸克和两个反粲夸克。到目前为止,大型强子对撞机和其他实验只观测到最多有两个粲夸克的四夸克,没有观测到超过两个相同类型夸克的四夸克。大型强子对撞机合作研究包括来自19个不同国家的1400多名成员,这个社区共同努力推动完成了这样的科学研究目标。

曼彻斯特大学和英国其他10个机构在合作中发挥了主导作用。新发现的四夸克揭开了这本科学书籍又一个激动人心的篇章,让研究人员可以在极端情况下研究物质粒子理论。这个粒子是一个极端情况,它是一个奇异的强子,包含四个夸克,而不是传统物质粒子中的两三个夸克,而且是第一个包含粲夸克的粒子。研究极端系统使科学家可以对理论进行压力测试,通过对这种粒子的研究,有可能在未来能在这一类中发现更多的粒子。

研究将能测试夸克如何结合的理论,该理论也控制着质子和中子。大型强子对撞机团队使用粒子搜索技术发现了新的四夸克,这种技术是在平滑的事件背景上,寻找过量的碰撞事件,研究人员筛选了大型强子对撞机第一次和第二次运行的完整数据集,这两次运行分别发生在2009年至2013年和2015年至2018年,研究人员在粒子的质量分布中发现了一个凹凸,其中包括一个粲夸克和一个反粲夸克。

这个凸起的统计意义超过五个标准差,这是能声称发现新粒子的通常阈值,它对应于预测存在由四个粲夸克组成粒子的质量。与之前的四夸克发现一样,目前还不完全清楚这一新粒子是一个“真正的四夸克”,也就是由紧密结合在一起的四个夸克组成系统,还是一对弱束缚在类分子结构中的两个夸克粒子。无论哪种方式,新的四夸克都将帮助理论家测试量子色动力学模型,即强相互作用理论。

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