国际科学家在强子对撞机实验中发现五夸克态新粒子 清华团队参与

来源:观察者网 2015-7-15

  世界上最大的粒子物理学实验室——欧洲核子研究中心(GERN)14日宣布,通过大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)发现了新粒子——五夸克粒子。国际科学家团队在实验中观测到由五夸克组成的重子态,首次确认五夸克态的存在,证实半个多世纪前的预测。

  早在上世纪60年代科学家就曾预测五夸克态可能存在,然而同“上帝粒子”一样,五夸克粒子在此前几十年中一直是个谜。

  这项发现产生于LHC底夸克实验(LHCb),意味着科学家找到了物质的新形式。LHCb中国组负责人、清华大学高原宁教授接受采访时说:“LHCb的实验,使人们相信自然界中除了常规物质,确实存在奇特态物质。”此项研究由清华大学和美国雪城大学的研究人员,以及LHCb国际合作组成员共同完成。相关研究已提交到《物理评论快报》期刊。

  1964年,两位科学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出了夸克模型。他们认为重子和介子是由其他三种更基本的粒子构成的(三夸克态),这样它们的关键特性才能得到很好的解释。他们的理论模型也涵盖五夸克粒子的存在——这种理论上存在的粒子由四个夸克和一个反夸克组成。所谓反夸克就是普通夸克粒子的反粒子。

  夸克是一种基本粒子,构成物质的基本单元,我们所知的夸克有6种,夸克的种类被称为味,名字都很奇特,分别叫上、下、粲、奇、底、顶。夸克的不同组合形成了各种复合粒子,其中比较有名的就是中子和质子,都包含三个夸克。

  之前曾有多个科研团队宣布发现五夸克粒子,但其研究结论相继被后来的实验推翻。2013年北京谱仪实验上发现的Zc(3900)粒子被认为是四夸克态存在的证据,对于5个夸克如何构成奇特重子,“一种观点认为5个夸克构成紧密的统一体,另一种观点认为这是由一个重子和一个介子相互作用构成的类似于分子的结构。”清华大学副教授、“青年千人计划”入选者张黎明表示,更深入的研究正在进行。

  在大型强子对撞机的这次研究中,物理学家观测了一种叫做λb的粒子在LHCb中衰退或转换为三种其他粒子的方式。研究发现,在三种粒子产生过程中有时会出现居间态粒子。“我们分析了这些信号的所有可能性并得出结论,只有五夸克粒子能够解释它们。” LHCb的物理学家托马斯·斯克瓦尔尼茨基表示。

  之前的研究只是测量所谓的质量分布,也就是在背景“噪音”中会出现统计学峰值——科学家会在这里寻找新粒子存在的迹象。但是LHC允许科学家从四个更多的角度进行分析,也就是粒子按不同方向在LHCb中进行碰撞时产生的角度。而且多种角度的观测均指向同一结论。

  “我们把这个问题从一维变成了五维……我们可以描述衰退过程中发生的一切。” LHCb的物理学联络员帕特里克·格本伯格向英国广播公司表示:“我们所看到的只可能由未曾观测过的新粒子产生,不可能是其他物质。”

  “五夸克粒子不仅仅是一种新粒子,” LHCb发言人盖·威尔金森评价道:“它代表普通的质子和中子的基本组成单元——夸克新的组合方式,它们的组合类型在过去半个多世纪的研究中从未被发现过。”

  下一步科学家将进一步研究在五夸克态中,夸克是如何组合在一起的。

  “这是LHCb实验在强子谱研究上最激动人心的结果。”清华大学副教授杨振伟说。他目前是LHCb实验“底强子与夸克偶素”物理工作组的召集人,这项研究就在该工作组完成。LHCb是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一,合作组由16个国家68个单位的1133名成员组成。“通过大型国际合作,最高水平的专家和学生一起探索,不断促进人类对自然界本质的认识。”LHCb中国组负责人、清华大学高原宁教授说。

 

2015年07月15日 15:32:20  清华新闻网

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