解秘夸克家族新成員及其結(jié)構(gòu)組合

方陵生/編譯

解秘夸克家族新成員及其結(jié)構(gòu)組合

方陵生/編譯

歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）發(fā)現(xiàn)在質(zhì)子碰撞中短暫存在的奇異粒子

在粒子物理學(xué)家中，謝爾頓·斯通（Sheldon Stone）素以高標(biāo)準(zhǔn)和近乎嚴(yán)酷的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度而著稱。在與同事的交談中，他往往會(huì)為了質(zhì)疑某個(gè)觀點(diǎn)而大聲打斷對(duì)方。因此，在斯通談到他和他的同事最近的觀察成果時(shí)，他的話顯然是有相當(dāng)可信度的。“我確實(shí)認(rèn)為這很可能將會(huì)是一個(gè)重大突破。”他說。

斯通的研究與巨大的粒子探測(cè)器LHCb（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)）相關(guān)，它是由世界上最大的原子對(duì)撞機(jī)提供支持的4臺(tái)粒子探測(cè)器之一。而世界上最大的原子對(duì)撞機(jī)是指瑞士歐洲核子研究中心歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。

他和他的同事稱，他們已經(jīng)觀察到了原子核的質(zhì)子和中子的新的“奇異表親”。質(zhì)子和中子是由稱為夸克的其他粒子組成，強(qiáng)大的核力量將它們緊密束縛在一起。物理學(xué)家通過高能量粒子碰撞，已能夠生成成百上千由夸克構(gòu)成的粒子，盡管它們都只是轉(zhuǎn)瞬即逝的短暫存在。

夸克粒子可以分為兩類：一類是包括質(zhì)子和中子在內(nèi)的重子，含有三個(gè)夸克；另一類是介子，含有兩個(gè)夸克。但是去年LHCb研究人員發(fā)現(xiàn)了由五個(gè)夸克構(gòu)成的粒子，而同一個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在前一年僅確認(rèn)了由四個(gè)夸克構(gòu)成的粒子的存在。

這種被稱為五夸克態(tài)或四夸克態(tài)的粒子，存在時(shí)間僅為千萬億分之一納秒。這些古怪的粒子顛覆了我們對(duì)夸克之間強(qiáng)相互作用力的已有認(rèn)知：一種叫做量子色動(dòng)力學(xué)（簡(jiǎn)稱QCD）的復(fù)雜理論。“它們有可能顛覆我們對(duì)QCD理論的理解方式。”美國(guó)賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)理論物理學(xué)家埃里克·斯萬森（Eric Swanson）說道。以色列特拉維夫大學(xué)理論物理學(xué)家瑪瑞克·卡林納（Marek Karliner）說道：“在了解什么樣的夸克組合是穩(wěn)定的，什么樣的組合是不穩(wěn)定之前，人們其實(shí)并不能真正理解現(xiàn)有的理論。”LHCb的觀察結(jié)果標(biāo)志著科學(xué)史上又一次罕見事件的出現(xiàn)，一個(gè)難以確認(rèn)想法的再次重現(xiàn)。12年前，有數(shù)個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種與眾不同的五夸克態(tài)粒子，但最后由于其轉(zhuǎn)瞬即逝的特性而未被采信。而LHCb的觀察結(jié)果令五夸克態(tài)粒子的存在“死而復(fù)生”，“我認(rèn)為這種粒子是真實(shí)存在的。”斯萬森說道。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)與組合方式

夸克是構(gòu)成大多數(shù)物質(zhì)的基本成分，但它們的結(jié)構(gòu)構(gòu)成與組合方式卻相當(dāng)復(fù)雜。就像將帶負(fù)電的電子與原子中帶正電的原子核結(jié)合在一起的電磁力一樣，夸克之間的強(qiáng)作用力起到電荷的作用。電磁作用只有一種電荷（或正或負(fù)），但強(qiáng)電荷卻有3種，分別以紅色、藍(lán)色和綠色三種顏色表示，每種都有其對(duì)立面：反紅、反藍(lán)和反綠(稱之為色荷)。在一些可能的夸克組合中，色荷疊加在一起會(huì)變成無色或白色。因此，重子包含1個(gè)紅色夸克、1個(gè)藍(lán)色夸克和1個(gè)綠色夸克，紅色、藍(lán)色和綠色疊加起來就會(huì)變成白色。而兩夸克態(tài)的介子則包含1個(gè)夸克和1個(gè)反色反夸克，例如紅色和反紅色夸克結(jié)合在一起成為無色粒子。

讓不同組合的夸克種類變得更為繁雜的是，夸克有6種類型，或者說是6種“味道”：普通物質(zhì)中的上夸克和下夸克、較重的粲夸克和通過粒子撞擊獲得的奇異夸克、頂夸克和底夸克。如果各種不同“風(fēng)格”的夸克結(jié)合在一起，生成粒子的種類就更為壯觀了，但其中絕大多數(shù)新生成的粒子狀態(tài)極不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)瞬即逝。一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克構(gòu)成；稱為Λb的轉(zhuǎn)瞬即逝的重子包含一個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克和一個(gè)底夸克。稱為K-的一種介子包含一個(gè)奇異夸克和一個(gè)反上夸克。

關(guān)于這些粒子存在的所有證據(jù)都是間接的，因?yàn)槲锢韺W(xué)家永遠(yuǎn)無法觀察到一個(gè)孤立的夸克。它們之間的強(qiáng)作用力極為強(qiáng)大，如果你通過撞擊從質(zhì)子中產(chǎn)生一個(gè)夸克，這種力量足以從真空中拽出夸克和反夸克產(chǎn)生更多的重子和介子。此外，強(qiáng)子內(nèi)部無數(shù)的“虛”夸克—反夸克“對(duì)”處于不斷迅速形成又不斷迅速消逝的過程中。夸克通過交換一種稱作膠子的粒子緊緊附著在一起，而這種粒子本身也會(huì)交換膠子。粒子的大部分質(zhì)量都是由“虛”的夸克和膠子這種棕色物質(zhì)構(gòu)成的，因此對(duì)它們的理論預(yù)測(cè)極為困難。

20世紀(jì)70年代，量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）形成之后，物理學(xué)家意識(shí)到夸克可能會(huì)以三個(gè)以上結(jié)合在一起“成簇”的形式出現(xiàn)。由兩個(gè)夸克和兩個(gè)反夸克（四夸克態(tài)）的或由四個(gè)夸克和一個(gè)反夸克（五夸克態(tài)）的色荷疊加，形成白色的粒子。瑞典隆德市歐洲散裂中子源（ESS）機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)員瓦倫蒂娜·桑托羅（Valentina Santoro）說道：“沒有任何理由告知我們?yōu)槭裁此鼈儾淮嬖冢绻娴恼也坏剿鼈儯覀儜?yīng)弄明白找不到的原因。”

發(fā)現(xiàn)與消失、再發(fā)現(xiàn)的過程

2003年，物理學(xué)家認(rèn)為，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)叫作θ+的五夸克態(tài)粒子。據(jù)認(rèn)為它含有兩個(gè)上夸克，兩個(gè)下夸克以及一個(gè)反奇異夸克，日本SPring-8加速器實(shí)驗(yàn)室的激光電子—光子（LEPS）探測(cè)器上發(fā)現(xiàn)了這種一閃而過的粒子，另外還有9項(xiàng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告也稱發(fā)現(xiàn)了這種粒子，據(jù)認(rèn)為這種粒子的質(zhì)量是質(zhì)子的1.5倍。

然而，隨后θ+消失無蹤，其他實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，之前發(fā)現(xiàn)過它的一些實(shí)驗(yàn)也無法復(fù)制。物理學(xué)家至今仍不能確定，如此多的研究團(tuán)隊(duì)怎么可能會(huì)都搞錯(cuò)了呢？曾參加過其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)研究的俄亥俄大學(xué)的物理學(xué)家肯尼思·希克斯（Kenneth Hicks）說道：“這是我參與過的研究中最為離奇的一個(gè)。”

其他人則表示，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不像所宣稱的那么令人信服。物理學(xué)家尋找θ+粒子的途徑是：假設(shè)它衰變成為某些粒子的組合，在LEPS實(shí)驗(yàn)中，衰變成一個(gè)中子和一個(gè)k+介子（一個(gè)上夸克和一個(gè)反奇異夸克）。對(duì)于他們所觀察的每一組“中子—k+”對(duì)，物理學(xué)家都會(huì)用粒子動(dòng)量計(jì)算假設(shè)的θ+的質(zhì)量。如果一些粒子對(duì)是θ+衰變的產(chǎn)物，那么計(jì)算的質(zhì)量圖示應(yīng)出現(xiàn)峰值，對(duì)應(yīng)于相關(guān)的母粒子。但斯通認(rèn)為，在這類簡(jiǎn)單的分析中，研究人員可能會(huì)被自己愚弄了，“這些人別的都不做，光是觀察粒子對(duì)的質(zhì)量圖的峰值，這樣很容易受峰值調(diào)整產(chǎn)生波動(dòng)的影響。”

尋找θ+的意外，給之后尋找四夸克態(tài)和五夸克態(tài)粒子留下了陰影，麻省理工學(xué)院理論物理學(xué)家羅伯特·賈菲（Robert Jaffe）說道：“人們的印象是，這個(gè)領(lǐng)域很古怪，其實(shí)驗(yàn)不可靠。”

但即便如此，這類粒子存在的誘人線索還是在頻頻出現(xiàn)。2003年，日本的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了類似四夸克態(tài)的粒子，它含有一個(gè)粲夸克，一個(gè)反粲夸克以及一個(gè)輕夸克—反夸克對(duì)，他們將其稱作X（3872）。2008年，日本粒子物理實(shí)驗(yàn)室的百麗（Belle）粒子探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯然質(zhì)量更重的四夸克態(tài)粒子Z（4430）。過去幾年里，多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)若干可能存在的四夸克態(tài)粒子。

現(xiàn)在，LHCb項(xiàng)目的研究人員已證實(shí)了百麗粒子探測(cè)器發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)粒子的存在，由兩個(gè)上夸克、一個(gè)下夸克、一個(gè)重粲夸克和一個(gè)反粲夸克構(gòu)成的五夸克態(tài)粒子的存在也有了有力的證據(jù)。

LHCb的主要目標(biāo)是研究含有一個(gè)較重質(zhì)量底夸克粒子的衰變，其行為可為超出物理學(xué)家標(biāo)準(zhǔn)模式的物理學(xué)研究提供線索。為了解另一種粒子衰變的“背景”，斯通和他的同事要求一名學(xué)生對(duì)來自Λb（由上夸克、下夸克、底夸克組成的粒子）衰變的殘骸進(jìn)行分析。斯通說道：“這名學(xué)生有些抱怨，他不認(rèn)為會(huì)有什么線索，但結(jié)果卻有了重大的發(fā)現(xiàn)。”新發(fā)現(xiàn)的信號(hào)表明，在衰變的過程中產(chǎn)生了新的粒子。

研究團(tuán)隊(duì)去年在《物理評(píng)論快報(bào)》8月號(hào)上發(fā)表文章稱，事實(shí)上，研究結(jié)果指向兩個(gè)質(zhì)量略有不同的五夸克態(tài)粒子，較重的一個(gè)五夸克態(tài)粒子重約一個(gè)質(zhì)子的4.74倍，較輕的那個(gè)粒子重約一個(gè)質(zhì)子質(zhì)量的4.67倍。

以分子形式還是“夸克口袋”形式存在？

斯通和他的同事原本預(yù)計(jì)Λb首先會(huì)衰變?yōu)橐粋€(gè)J/ψ（粲夸克和反粲夸克）和一個(gè)Λ（上夸克、下夸克和奇異夸克），隨后Λ會(huì)衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和K-。然而他們發(fā)現(xiàn)，有時(shí)Λb似乎會(huì)另辟蹊徑，結(jié)果卻是殊途同歸，衰變成一個(gè)K-和五夸克態(tài)粒子，然后這個(gè)五夸克態(tài)粒子衰變?yōu)橘|(zhì)子和J/ψ。這兩個(gè)五夸克態(tài)粒子在質(zhì)子-J/ψ的質(zhì)量圖示中顯示為峰值。

然而，LHCb研究人員所做的不只是發(fā)現(xiàn)幾個(gè)質(zhì)量峰值。他們還要從大量數(shù)據(jù)中獲取更多信息，他們甚至還繪制出了完整的波浪形量子振幅，用以描述從一個(gè)Λb衰變?yōu)橐粋€(gè)五夸克態(tài)粒子和一個(gè)K-的過程，然后繼續(xù)衰變?yōu)镴/ψ和質(zhì)子的過程，并對(duì)粒子在不同角度、動(dòng)量和自旋狀態(tài)出現(xiàn)的可能性進(jìn)行了編碼。在這具有里程碑意義的探索中，研究人員需要弄明白那些振幅互相之間如何配合才能達(dá)成研究人員的預(yù)期結(jié)果，分析結(jié)果清晰地揭示了兩個(gè)五夸克態(tài)的振幅，斯通認(rèn)為，這是比質(zhì)量峰值更為明確的信號(hào)。

斯通說道，一開始，LHCb研究人員自己對(duì)研究結(jié)果也難以置信。“我們會(huì)說，‘哦，五夸克嗎？這是真的嗎？’我們花了比做其他任何實(shí)驗(yàn)更多的時(shí)間反復(fù)查驗(yàn)。”2014年，LHCb團(tuán)隊(duì)用類似的方法證實(shí)了Z（4430）四夸克態(tài)的存在，它包含一個(gè)底夸克、一個(gè)反上夸克和一個(gè)粲夸克-反粲夸克對(duì)。

“我相信，這（新夸克粒子的發(fā)現(xiàn)）將有可能成為一個(gè)重大突破。”錫拉丘茲大學(xué)的謝爾頓·斯通說道

但是，如果這些粒子是真實(shí)存在的，那么它們又是如何組合在一起的呢？四夸克態(tài)與五夸克態(tài)可能更像由兩夸克介子和三夸克重子組成的分子，這種結(jié)合方式不是通過膠子的交換，而是通過由夸克構(gòu)成、被稱為π介子的粒子的交換。事實(shí)上，卡林納和伊利諾斯州的芝加哥大學(xué)的理論物理學(xué)家喬納森·羅斯納（Jonathan Rosner）稱，在他們開發(fā)的模型中，已對(duì)四夸克態(tài)的大部分和LHCb的一個(gè)五夸克態(tài)進(jìn)行了解釋。

物理學(xué)家們無法對(duì)這些粒子的生命周期進(jìn)行直接測(cè)量，但他們可以從粒子質(zhì)量或“寬度”的不確定性，推斷出其存在時(shí)間：寬度越窄，壽命越長(zhǎng)。四夸克態(tài)粒子和五夸克態(tài)粒子的寬度都比通過強(qiáng)相互作用衰變的粒子要窄。類似于分子的結(jié)構(gòu)有利于生存更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可將夸克之間阻隔開來，阻止它們即刻形成新的粒子并迅速破裂。希克斯說：“顯然存在某種阻止重新結(jié)合的屏蔽，如果它們都被裝在一個(gè)袋子里，就不會(huì)有什么屏蔽了。”

但分子模型無法解釋LHCb發(fā)現(xiàn)的兩種不同的五夸克態(tài)粒子，斯通說道，也不能解釋五夸克態(tài)粒子的自旋等行為細(xì)節(jié)。這場(chǎng)辯論對(duì)于量子色動(dòng)力學(xué)理論有著更深層次的意義，匹茲堡大學(xué)的斯萬森說道。如果分子圖片是正確的，那么只要對(duì)量子色動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行相對(duì)較小的調(diào)整，物理學(xué)家就可以將20世紀(jì)40年代開發(fā)的針對(duì)原子核的π介子交換理論應(yīng)用于存在時(shí)間更短的粒子。斯萬森認(rèn)為，每個(gè)粒子可能更像一個(gè)連續(xù)的“夸克場(chǎng)”，這個(gè)夸克場(chǎng)中在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都會(huì)形成其組成部分的粒子。例如20世紀(jì)70年代，麻省理工學(xué)院的賈菲認(rèn)為，強(qiáng)子中的夸克在互相環(huán)繞的運(yùn)動(dòng)中可形成另一種短暫的成對(duì)關(guān)系，被稱為雙夸克。如果是這樣，一個(gè)重子被描述為一個(gè)夸克和一個(gè)雙夸克的不斷變化狀態(tài)也許更恰當(dāng)一些。但賈菲告誡說，在理論上，分子和夸克口袋之間并沒有真正的區(qū)別。

但仍然不排除五夸克態(tài)和四夸克態(tài)并不是真實(shí)存在的可能性，例如LHCb人員在另一種粒子Λb的衰變中看到的五夸克態(tài)粒子。但也有可能是：介子和重子不同組合的產(chǎn)物形成的陰影效果，產(chǎn)生了被誤認(rèn)為五夸克態(tài)衰變的錯(cuò)誤信號(hào)。這樣的“閾值”效應(yīng)是很難排除的，ESS的桑托羅說道，因?yàn)楹苋菀渍业搅Ｗ拥牧硪环N組合，結(jié)合在一起達(dá)到觀察到的質(zhì)量。物理學(xué)家說，對(duì)于五夸克態(tài)和四夸克態(tài)的描述，哪個(gè)才是正確的，必須要有更多的證據(jù)。夸克口袋和分子模型預(yù)測(cè)的應(yīng)該是不同質(zhì)量、不同旋轉(zhuǎn)方式和不同組合方式的四夸克態(tài)和五夸克態(tài)粒子。例如，卡林納說，由于介子結(jié)合方式的不同，他的分子模型允許一些介子組合綁定在一起，但禁止其他的組合。這就限制了實(shí)驗(yàn)者能看到的五夸克態(tài)粒子和四夸克態(tài)粒子的范圍。

但即使能夠找到大量新粒子，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能證明的東西仍然比預(yù)期的要少。模型是有彈性的，可調(diào)整的，賈菲說道：“當(dāng)實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)一種模型出現(xiàn)無法解釋的狀態(tài)，總會(huì)有理論家滲合進(jìn)來修正模型。”最終，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)模擬能力也許可能為我們找出答案，物理學(xué)家說。但即使計(jì)算機(jī)模擬可以處理奇異粒子，但是否能夠提供一個(gè)清晰而可靠的答案仍未可知。“更可能的是情況是這樣的，（一個(gè)五夸克態(tài)粒子）40%的時(shí)間是在重子-介子分子內(nèi)，40%的時(shí)間是在五夸克態(tài)袋子里。”希克斯說。

至少，物理學(xué)家們已開始意識(shí)到，五夸克態(tài)粒子和四夸克態(tài)粒子是真實(shí)存在的，但它們的結(jié)合方式之謎是否能夠破解，讓我們一起來期待吧。

[資料來源：Nature][責(zé)任編輯：岳峰]