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欧洲核子研究中心夸克胶子等离子体中发现神秘 X 粒子

2022-02-10 17:14     来源:physicsworld.com     X粒子 欧洲核子研究中心 对撞机核技术

在大型强子对撞机 (LHC) 的重离子碰撞中产生的夸克-胶子等离子体中发现了一种由四个夸克组成的神秘“X”粒子,首次发现于 2003 年。这一观察是由从事欧洲核子研究中心紧凑型介子螺线管 (CMS) 实验的物理学家进行的,如果得到证实,它可以帮助研究人员了解这种奇异粒子的结构。对该粒子的进一步研究可以帮助解释我们熟悉的强子,如质子和中子,是如何由被认为存在于早期宇宙中的夸克-胶子等离子体形成的。

这种奇异的 X 粒子——正式名称为 X(3872),因为它的质量为 3872 MeV——最早是由日本的贝尔实验发现的。随后在正负电子对撞机和强子对撞机的其他实验中对其进行了研究,但其性质尚不完全清楚。它可能是一个紧密结合的四夸克(一个包含四个夸克的粒子)或一个包含两个介子(每个包含两个夸克)的更松散结合的“分子”状态。

其他人则认为这可能更奇怪。“一个常见的假设是,X(3872) 可能是传统的粲-反粲对和四夸克或分子的叠加,”夏威夷大学的粒子物理学家Tom Browder说,他是 Belle 合作和现在在其继任者 Belle II 上工作。

深入了解强子化

研究夸克-胶子等离子体中 X 粒子的产生有助于解决这一争论。这是因为预计不同的内部结构在夸克 - 胶子等离子体内具有不同的衰减率。研究这个系统的另一个原因是,宇宙中的正常物质(质子和中子)被认为是在大爆炸后的几分之一秒内从夸克-胶子等离子体中凝结出来的——这一过程称为强子化。研究像 X(3872) 这样的外来粒子衰变为正常粒子可以为这一过程提供有价值的见解。

问题是,即使在大型强子对撞机等强大的对撞机中,也极难将质子或电子等粒子加速到足够的能量以在它们发生碰撞时产生夸克-胶子等离子体。然而,还有另一种选择:“虽然夸克-胶子等离子体预计不会在质子-质子碰撞中产生……但这是 LHC 能量重离子碰撞中的普遍现象,” Yen-Jie Lee和Jing Wang写道麻省理工学院。

德州农工大学的核理论家拉尔夫·拉普(未参与这项研究)解释了这种方法的潜力:“我们让这些重离子碰撞,形成夸克-胶子等离子体,它存在一段时间,它会膨胀并转化回强子物质,进一步扩大,”他说。“这个火球在量子色动力学时间尺度上的寿命相对较长,如果实验者能够在两倍的范围内确定 [X 粒子] 的产生,那么我们就可以了解它们的内部结构。”

嘈杂的背景

不幸的是,重离子的大小带来了新的挑战。虽然它们的质量使它们更容易加速到高能量,但它们内部的复杂性意味着它们的碰撞会产生许多不同的最终状态。因此,试图在这片背景噪音的海洋中观察 X 粒子的衰变是一项艰巨的任务。

为此,CMS Collaboration 的 Wang、Lee 及其同事转向了机器学习算法。他们使用计算机模拟 X 粒子衰变和产生具有不同能量和动量的相同粒子的常规衰变路径。然后他们教算法识别每种情况下 CMS 中产生的信号之间的差异。最后,他们将算法设置为梳理 LHC 2018 年 130 亿次铅离子碰撞的数据集,以搜索 X 粒子衰变。

研究人员报告检测到大约 100 个 X 粒子衰变,这对应于高于背景 4.2σ 的统计显着性。此外,数据表明夸克-胶子等离子体中的 X 粒子产生率可能会提高,尽管此处的结果在统计上并不显着。

运行 3 数据

“目前的精度仍然不足以得出 X(3872) 粒子的性质,”Wang 和 Lee 写道。“今年年底,大型强子对撞机将启动 Run 3,然后我们将收集更多数据。此外,我们将在质子-铅碰撞等其他碰撞系统中测量 X(3872) 粒子。”

“这是一个开创性的[测量],”拉普说,“实验的不确定性仍然很大,由于几个原因,我们无法在这一点上得出强有力的结论,但事实上他们可以测量 [X(3872)] 状态重离子碰撞是一个里程碑。”

Browder 补充说:“这非常有趣……他们现在必须放下旗帜,以便在夸克 - 胶子等离子体中检测 X(3872),因为如果他们不这样做,也许下周可能 LHCb、ATLAS 或 ALICE 会这样做。尽管统计数据非常薄弱——它甚至不能作为证据——我认为对于社区来说,这个暗示它被增强了,可能是 10 倍,这非常有趣。”

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