新發現！夸克聚變！

陳生梅+李梅霞+瑞安·F.曼德爾鮑姆

瑞士大型強子對撞機項目的科學家宣稱，他們發現了一種令人激動的新粒子，或者說是粒子結合體。這種粒子的影響力遠不及5年前被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子，但也著實讓人議論紛紛，許多人都想從陳舊實驗中得出眾多頗有爭議的新結果。

大型強子對撞機（LHC）的底夸克探測器（LHCb）發現了一種新粒子：雙粲重子，又被稱為Ξcc++。你或許還記得原子核由質子和中子構成。質子有兩個上夸克和一個下夸克，帶一個單位正電荷。中子則具有一個上夸克和兩個下夸克，電荷為零。新發現的雙粲重子含有一個上夸克和兩個粲夸克，帶兩個單位電荷。

來自荷蘭國家核物理研究院的物理學家帕特里克·科彭伯格說：“我們需要成對的粲夸克，但同一個粒子中含有兩個粲夸克非常罕見。”粲夸克是已知的六種夸克之一，另外五種分別是上夸克、下夸克、奇異夸克、頂夸克和底夸克。他說其中最重的是粲夸克、底夸克（又稱美夸克）和頂夸克（又稱真夸克），但是頂夸克太重，無法與其他夸克一起排列。理論上來講，其余的夸克可以排列進含有2個至5個夸克的群組，而且如果物體溫度夠高，還可以融進夸克液體中。

但“含有兩個重夸克，一個粲夸克或底夸克”且帶有3個或3個以上夸克的“大多數這類粒子”尚未發現。科彭伯格說：“從某種意義上來講，這還是頭一次。”

科彭伯格說，早在2002年，就出現了一個頗具爭議的結果，當時配基系統進化技術（SELEX）團隊在伊利諾伊州的費米國立加速器實驗室宣稱，他們發現了一種名為Ξcc+的粒子，即帶有單電荷的雙粲重子（注意是一個加號而不是兩個）。這種粒子同樣含有兩個粲夸克，但與底夸克探測器（LHCb）發現的新粒子不同的是，它含有一個下夸克。一個加號的粒子也有一個跟質子一樣的基本電荷。

科彭伯格說，隨后又有數次實驗想再現配基系統進化技術（SELEX）團隊的粒子，但都沒能成功。新粒子的出現使人們更加懷疑配基系統進化技術發現的真偽。科彭伯格又補充道：“底夸克探測器（LHCb）發現的粒子與配基系統進化技術團隊發現的粒子質量截然不同，他們提出的那個質量根本就不可能存在。”新的雙粲重子的質量約為3600兆電子伏，相當于質子質量的4倍。兩種粒子的組成差別只在于很輕的上、下夸克之間，不過，配基系統進化技術團隊發現的粒子的

質量還不到100兆電子伏。

即將發表在《物理評論快報》上的一篇由歐洲核子研究委員會（CERN）撰寫的論文指出，過去試圖重現配基系統進化技術粒子的實驗與原初實驗不同，因此，這些“結果并不能說明原始數據有問題”。

我拜訪了卡內基·梅隆大學的物理學教授兼配基系統進化技術團隊發言人詹姆斯·拉斯，我去的時候他恰好在看這篇論文。他告訴我，這兩種有爭議的粒子的確不同，并說配基系統進化技術團隊的結論沒有問題。他支持自己實驗中觀察到的粒子，并說底夸克探測器的結果也很重要。他補充道：“新的觀察資料會推動理論向某個特定方向發展，因此底夸克探測器的結果的確也很重要。”

拉斯看過底夸克探測器的論文之后說：“底夸克探測器的結論頗為可信。”他認為很輕的下夸克造成了如此大的質量差異，不太可能與夸克性質的差異有關。“兩個實驗分析似乎都沒有錯，如果兩者都存在，那么應該就有相關理論闡釋為何同樣是雙粲重子的系統，卻表現得如此不同。”

這些問題研究起來都是困難重重。科學家正在極力探尋難以捕捉的粒子，它們的速度不到1皮秒， 或者說是兆分之一秒。但是由于它們的移動速度接近光速，在衰變成底夸克探測器實驗中檢測到的粒子之前，仍然運動了數毫米。特定粒子能啟動一個觸發器，以保存實驗相關數據，進行后續分析。再現粒子留下的特定軌跡可以幫助研究人員搞清楚他們是否找到了自己想要的粒子。

這種粒子作為一個信號出現在其他物理和其他粒子飛過探測器產生的背景噪聲上。因此，科學家認識到，12西格瑪的意義重大，能說明他們觀察到的絕不可能是碰巧看起來像新粒子的任意噪音。

無論過去的結果怎樣，與我交談的底夸克探測器團隊的科學家均指出，這種新發現的粒子使他們從總體上更好地了解粒子物理學，并能進一步細化他們的相關理論，探討夸克聚合時的反應。

錫拉丘茲大學物理學家謝爾登·斯通這樣說：“我們深知自然界中存在比先前所知更復雜的結構。”除了在實驗中，這種新粒子不可能真正存在于地球上，但可能存在于宇宙大爆炸后，當時宇宙物質變得高度密集，溫度極高。了解夸克自行排列的方式可能會進一步洞察原始時代的物理學。

斯通說：“反駁某種理論能讓人興奮不已，大批理論家都對新粒子虎視眈眈。”

另一個研究小組發現，在一對夸克之間可能存在一個產生這種粒子的聚變反應，而另一些則釋放能量。對于如何尋找這樣的反應，他們有一些想法，但夸克炸彈很快問世則沒有可能。底夸克和粲夸克的短暫壽命阻礙了這種反應的實際應用。

雙粲重子由一個上夸克和兩個粲夸克組成。將這些粲夸克結合在一起需要耗費相當大的能量，之后將剩余的能量釋放。釋放量相當于太陽內部發生核聚變反應所產生的能量。這個量在個體反應中相對較小，甚至比發送一個字節的數據的能量總數還要小，但若假設它發生在亞原子粒子中，那這個量算很大了。

學者寫道：“假設合成粒子真的存在，那么基于較重的底夸克的聚變反應可以釋放出比雙粲重子多10倍的能量。”然而，想要實現這種反應十分困難。我們所知道的底夸克只停留不到1秒，在歐洲核子研究委員會LHCb實驗的2-22毫米之間游弋，隨后就失去能量，變成像在大氣層中碎裂的流星一樣的粒子。

除了這種科幻小說般不切實際的“夸克聚變”之外，還有一些令人振奮的消息。華盛頓大學物理學家杰拉爾德·米勒在《自然新聞與觀點》一書中寫道：“高度結合能量意味著或許還有包含粲夸克或底夸克，而非上、下夸克的異原子。”誰知道呢？這就是物理。宇宙間的一切都奇奇怪怪，地球也不例外。