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欧洲核子研究中心LHCb实验新发现:最长寿奇异粒子

2021-07-30 11:03     来源:CERN     欧洲核子研究中心LHC

艺术家对 Tcc+ 的印象,一种由两个粲夸克和一个上下反夸克组成的四夸克 (图片来源:CERN)

今天,欧洲核子研究中心的LHCb 实验在欧洲物理学会高能物理学会议(EPS-HEP)上展示了一项新发现。LHCb 发现的新粒子标记为 T cc +,是四夸克——一种包含两个夸克和两个反夸克的奇异强子。它是迄今为止发现的寿命最长的奇异物质粒子,也是第一个包含两个重夸克和两个轻反夸克的粒子。

夸克是构成物质的基本构件。它们结合形成强子,即重子,例如由三个夸克组成的质子和中子,以及形成为夸克-反夸克对的介子。近年来,人们发现了许多所谓的奇异强子——具有四个或五个夸克的粒子,而不是传统的两个或三个夸克。如今的发现是一个特别独特的奇异强子。

新粒子包含两个粲夸克和一个上下反夸克。近年来已经发现了几种四夸克(包括一个有两个粲夸克和两个粲反夸克),但这是第一个包含两个粲夸克而没有粲反夸克来平衡它们的四夸克。物理学家称之为“开放粲”(在这种情况下,“双开放粲力”)。包含粲夸克和粲反夸克的粒子具有“隐粲”——整个粒子的粲量子数加起来为零,就像正电荷和负电荷一样。这里的粲量子数加起来是二,所以粲是两倍!

T cc +的夸克含量除了具有开放粲外,还有其他有趣的特征。它是第一个被发现的粒子,属于具有两个重夸克和两个轻反夸克的四夸克类。这些粒子通过转化为一对介子而衰变,每个介子由一个重夸克和一个轻反夸克组成。根据一些理论预测,这种四夸克的质量应该非常接近两种介子的质量之和。这种质量上的接近使得衰变“困难”,从而导致粒子的寿命更长,而且 T cc +确实是迄今为止发现的寿命最长的奇异强子。

这一发现为寻找相同类型的较重粒子铺平了道路,其中一两个粲夸克被底夸克取代。具有两个底夸克的粒子特别有趣:根据计算,它的质量应该小于任何一对 B 介子的质量之和。这将使衰变不仅不太可能,而且实际上是被禁止的:粒子将无法通过强相互作用衰变,而必须通过弱相互作用衰变,这将使其寿命比以前长几个数量级观察到奇异的强子。

新的 T cc +四夸克是进一步研究的诱人目标。它衰变成的粒子都相对容易被探测到,再加上衰变中的少量可用能量,这导致了其质量的极好精度,并允许研究这个迷人粒子的量子数。反过来,这可以为现有的理论模型提供严格的测试,甚至可能允许探索以前无法达到的效果。

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