解秘夸克家族新成员及其结构组合

方陵生/编译

解秘夸克家族新成员及其结构组合

方陵生/编译

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）发现在质子碰撞中短暂存在的奇异粒子

在粒子物理学家中，谢尔顿·斯通（Sheldon Stone）素以高标准和近乎严酷的严谨态度而著称。在与同事的交谈中，他往往会为了质疑某个观点而大声打断对方。因此，在斯通谈到他和他的同事最近的观察成果时，他的话显然是有相当可信度的。“我确实认为这很可能将会是一个重大突破。”他说。

斯通的研究与巨大的粒子探测器LHCb（大型强子对撞机底夸克实验）相关，它是由世界上最大的原子对撞机提供支持的4台粒子探测器之一。而世界上最大的原子对撞机是指瑞士欧洲核子研究中心欧洲粒子物理实验室的大型强子对撞机（LHC）。

他和他的同事称，他们已经观察到了原子核的质子和中子的新的“奇异表亲”。质子和中子是由称为夸克的其他粒子组成，强大的核力量将它们紧密束缚在一起。物理学家通过高能量粒子碰撞，已能够生成成百上千由夸克构成的粒子，尽管它们都只是转瞬即逝的短暂存在。

夸克粒子可以分为两类：一类是包括质子和中子在内的重子，含有三个夸克；另一类是介子，含有两个夸克。但是去年LHCb研究人员发现了由五个夸克构成的粒子，而同一个研发团队在前一年仅确认了由四个夸克构成的粒子的存在。

这种被称为五夸克态或四夸克态的粒子，存在时间仅为千万亿分之一纳秒。这些古怪的粒子颠覆了我们对夸克之间强相互作用力的已有认知：一种叫做量子色动力学（简称QCD）的复杂理论。“它们有可能颠覆我们对QCD理论的理解方式。”美国宾夕法尼亚州匹兹堡大学理论物理学家埃里克·斯万森（Eric Swanson）说道。以色列特拉维夫大学理论物理学家玛瑞克·卡林纳（Marek Karliner）说道：“在了解什么样的夸克组合是稳定的，什么样的组合是不稳定之前，人们其实并不能真正理解现有的理论。”LHCb的观察结果标志着科学史上又一次罕见事件的出现，一个难以确认想法的再次重现。12年前，有数个研究团队发现了一种与众不同的五夸克态粒子，但最后由于其转瞬即逝的特性而未被采信。而LHCb的观察结果令五夸克态粒子的存在“死而复生”，“我认为这种粒子是真实存在的。”斯万森说道。

复杂的结构与组合方式

夸克是构成大多数物质的基本成分，但它们的结构构成与组合方式却相当复杂。就像将带负电的电子与原子中带正电的原子核结合在一起的电磁力一样，夸克之间的强作用力起到电荷的作用。电磁作用只有一种电荷（或正或负），但强电荷却有3种，分别以红色、蓝色和绿色三种颜色表示，每种都有其对立面：反红、反蓝和反绿(称之为色荷)。在一些可能的夸克组合中，色荷叠加在一起会变成无色或白色。因此，重子包含1个红色夸克、1个蓝色夸克和1个绿色夸克，红色、蓝色和绿色叠加起来就会变成白色。而两夸克态的介子则包含1个夸克和1个反色反夸克，例如红色和反红色夸克结合在一起成为无色粒子。

让不同组合的夸克种类变得更为繁杂的是，夸克有6种类型，或者说是6种“味道”：普通物质中的上夸克和下夸克、较重的粲夸克和通过粒子撞击获得的奇异夸克、顶夸克和底夸克。如果各种不同“风格”的夸克结合在一起，生成粒子的种类就更为壮观了，但其中绝大多数新生成的粒子状态极不稳定，转瞬即逝。一个质子由两个上夸克和一个下夸克构成；称为Λb的转瞬即逝的重子包含一个上夸克、一个下夸克和一个底夸克。称为K-的一种介子包含一个奇异夸克和一个反上夸克。

关于这些粒子存在的所有证据都是间接的，因为物理学家永远无法观察到一个孤立的夸克。它们之间的强作用力极为强大，如果你通过撞击从质子中产生一个夸克，这种力量足以从真空中拽出夸克和反夸克产生更多的重子和介子。此外，强子内部无数的“虚”夸克—反夸克“对”处于不断迅速形成又不断迅速消逝的过程中。夸克通过交换一种称作胶子的粒子紧紧附着在一起，而这种粒子本身也会交换胶子。粒子的大部分质量都是由“虚”的夸克和胶子这种棕色物质构成的，因此对它们的理论预测极为困难。

20世纪70年代，量子色动力学（QCD）形成之后，物理学家意识到夸克可能会以三个以上结合在一起“成簇”的形式出现。由两个夸克和两个反夸克（四夸克态）的或由四个夸克和一个反夸克（五夸克态）的色荷叠加，形成白色的粒子。瑞典隆德市欧洲散裂中子源（ESS）机构的实验员瓦伦蒂娜·桑托罗（Valentina Santoro）说道：“没有任何理由告知我们为什么它们不存在，如果真的找不到它们，我们应弄明白找不到的原因。”

发现与消失、再发现的过程

2003年，物理学家认为，他们发现了一个叫作θ+的五夸克态粒子。据认为它含有两个上夸克，两个下夸克以及一个反奇异夸克，日本SPring-8加速器实验室的激光电子—光子（LEPS）探测器上发现了这种一闪而过的粒子，另外还有9项实验报告也称发现了这种粒子，据认为这种粒子的质量是质子的1.5倍。

然而，随后θ+消失无踪，其他实验没有发现它的踪迹，之前发现过它的一些实验也无法复制。物理学家至今仍不能确定，如此多的研究团队怎么可能会都搞错了呢？曾参加过其中一个团队研究的俄亥俄大学的物理学家肯尼思·希克斯（Kenneth Hicks）说道：“这是我参与过的研究中最为离奇的一个。”

其他人则表示，这些实验结果并不像所宣称的那么令人信服。物理学家寻找θ+粒子的途径是：假设它衰变成为某些粒子的组合，在LEPS实验中，衰变成一个中子和一个k+介子（一个上夸克和一个反奇异夸克）。对于他们所观察的每一组“中子—k+”对，物理学家都会用粒子动量计算假设的θ+的质量。如果一些粒子对是θ+衰变的产物，那么计算的质量图示应出现峰值，对应于相关的母粒子。但斯通认为，在这类简单的分析中，研究人员可能会被自己愚弄了，“这些人别的都不做，光是观察粒子对的质量图的峰值，这样很容易受峰值调整产生波动的影响。”

寻找θ+的意外，给之后寻找四夸克态和五夸克态粒子留下了阴影，麻省理工学院理论物理学家罗伯特·贾菲（Robert Jaffe）说道：“人们的印象是，这个领域很古怪，其实验不可靠。”

但即便如此，这类粒子存在的诱人线索还是在频频出现。2003年，日本的物理学家发现了类似四夸克态的粒子，它含有一个粲夸克，一个反粲夸克以及一个轻夸克—反夸克对，他们将其称作X（3872）。2008年，日本粒子物理实验室的百丽（Belle）粒子探测器发现了一个显然质量更重的四夸克态粒子Z（4430）。过去几年里，多个实验室的物理学家发现若干可能存在的四夸克态粒子。

现在，LHCb项目的研究人员已证实了百丽粒子探测器发现的四夸克态粒子的存在，由两个上夸克、一个下夸克、一个重粲夸克和一个反粲夸克构成的五夸克态粒子的存在也有了有力的证据。

LHCb的主要目标是研究含有一个较重质量底夸克粒子的衰变，其行为可为超出物理学家标准模式的物理学研究提供线索。为了解另一种粒子衰变的“背景”，斯通和他的同事要求一名学生对来自Λb（由上夸克、下夸克、底夸克组成的粒子）衰变的残骸进行分析。斯通说道：“这名学生有些抱怨，他不认为会有什么线索，但结果却有了重大的发现。”新发现的信号表明，在衰变的过程中产生了新的粒子。

研究团队去年在《物理评论快报》8月号上发表文章称，事实上，研究结果指向两个质量略有不同的五夸克态粒子，较重的一个五夸克态粒子重约一个质子的4.74倍，较轻的那个粒子重约一个质子质量的4.67倍。

以分子形式还是“夸克口袋”形式存在？

斯通和他的同事原本预计Λb首先会衰变为一个J/ψ（粲夸克和反粲夸克）和一个Λ（上夸克、下夸克和奇异夸克），随后Λ会衰变为一个质子和K-。然而他们发现，有时Λb似乎会另辟蹊径，结果却是殊途同归，衰变成一个K-和五夸克态粒子，然后这个五夸克态粒子衰变为质子和J/ψ。这两个五夸克态粒子在质子-J/ψ的质量图示中显示为峰值。

然而，LHCb研究人员所做的不只是发现几个质量峰值。他们还要从大量数据中获取更多信息，他们甚至还绘制出了完整的波浪形量子振幅，用以描述从一个Λb衰变为一个五夸克态粒子和一个K-的过程，然后继续衰变为J/ψ和质子的过程，并对粒子在不同角度、动量和自旋状态出现的可能性进行了编码。在这具有里程碑意义的探索中，研究人员需要弄明白那些振幅互相之间如何配合才能达成研究人员的预期结果，分析结果清晰地揭示了两个五夸克态的振幅，斯通认为，这是比质量峰值更为明确的信号。

斯通说道，一开始，LHCb研究人员自己对研究结果也难以置信。“我们会说，‘哦，五夸克吗？这是真的吗？’我们花了比做其他任何实验更多的时间反复查验。”2014年，LHCb团队用类似的方法证实了Z（4430）四夸克态的存在，它包含一个底夸克、一个反上夸克和一个粲夸克-反粲夸克对。

“我相信，这（新夸克粒子的发现）将有可能成为一个重大突破。”锡拉丘兹大学的谢尔顿·斯通说道

但是，如果这些粒子是真实存在的，那么它们又是如何组合在一起的呢？四夸克态与五夸克态可能更像由两夸克介子和三夸克重子组成的分子，这种结合方式不是通过胶子的交换，而是通过由夸克构成、被称为π介子的粒子的交换。事实上，卡林纳和伊利诺斯州的芝加哥大学的理论物理学家乔纳森·罗斯纳（Jonathan Rosner）称，在他们开发的模型中，已对四夸克态的大部分和LHCb的一个五夸克态进行了解释。

物理学家们无法对这些粒子的生命周期进行直接测量，但他们可以从粒子质量或“宽度”的不确定性，推断出其存在时间：宽度越窄，寿命越长。四夸克态粒子和五夸克态粒子的宽度都比通过强相互作用衰变的粒子要窄。类似于分子的结构有利于生存更长时间，因为这种结构可将夸克之间阻隔开来，阻止它们即刻形成新的粒子并迅速破裂。希克斯说：“显然存在某种阻止重新结合的屏蔽，如果它们都被装在一个袋子里，就不会有什么屏蔽了。”

但分子模型无法解释LHCb发现的两种不同的五夸克态粒子，斯通说道，也不能解释五夸克态粒子的自旋等行为细节。这场辩论对于量子色动力学理论有着更深层次的意义，匹兹堡大学的斯万森说道。如果分子图片是正确的，那么只要对量子色动力学理论进行相对较小的调整，物理学家就可以将20世纪40年代开发的针对原子核的π介子交换理论应用于存在时间更短的粒子。斯万森认为，每个粒子可能更像一个连续的“夸克场”，这个夸克场中在每一个节点上都会形成其组成部分的粒子。例如20世纪70年代，麻省理工学院的贾菲认为，强子中的夸克在互相环绕的运动中可形成另一种短暂的成对关系，被称为双夸克。如果是这样，一个重子被描述为一个夸克和一个双夸克的不断变化状态也许更恰当一些。但贾菲告诫说，在理论上，分子和夸克口袋之间并没有真正的区别。

但仍然不排除五夸克态和四夸克态并不是真实存在的可能性，例如LHCb人员在另一种粒子Λb的衰变中看到的五夸克态粒子。但也有可能是：介子和重子不同组合的产物形成的阴影效果，产生了被误认为五夸克态衰变的错误信号。这样的“阈值”效应是很难排除的，ESS的桑托罗说道，因为很容易找到粒子的另一种组合，结合在一起达到观察到的质量。物理学家说，对于五夸克态和四夸克态的描述，哪个才是正确的，必须要有更多的证据。夸克口袋和分子模型预测的应该是不同质量、不同旋转方式和不同组合方式的四夸克态和五夸克态粒子。例如，卡林纳说，由于介子结合方式的不同，他的分子模型允许一些介子组合绑定在一起，但禁止其他的组合。这就限制了实验者能看到的五夸克态粒子和四夸克态粒子的范围。

但即使能够找到大量新粒子，实验数据能证明的东西仍然比预期的要少。模型是有弹性的，可调整的，贾菲说道：“当实验者发现一种模型出现无法解释的状态，总会有理论家渗合进来修正模型。”最终，强大的计算机模拟能力也许可能为我们找出答案，物理学家说。但即使计算机模拟可以处理奇异粒子，但是否能够提供一个清晰而可靠的答案仍未可知。“更可能的是情况是这样的，（一个五夸克态粒子）40%的时间是在重子-介子分子内，40%的时间是在五夸克态袋子里。”希克斯说。

至少，物理学家们已开始意识到，五夸克态粒子和四夸克态粒子是真实存在的，但它们的结合方式之谜是否能够破解，让我们一起来期待吧。

[资料来源：Nature][责任编辑：岳峰]