「五夸克态」粒子

「五夸克态」粒子

海伯利安

高能物理领域：

LHCb 发现两个奇异粒子——五夸克态，该成果入选英国物理学会旗下杂志《Physics World》的 2015 年国际物理学领域十大突破（Breakthrough of the Year）。

参见：Physics World 2015 Breakthrough of the Year

在 20 世纪 70 年代，标准模型预言了五夸克态的存在，自那时起，人们在实验上不断孜孜以求，希冀找到预言中的粒子。为此世界各国的科学家们展开了竞争，追寻了三十几年。

2015 年 7 月，LHCb 实验组以确定无疑的结果向世人宣布，他们发现了两个奇异粒子，这两个粒子被认为是传说中的「五夸克态」粒子。

在 20 世纪初，人们在宇宙线和加速器中发现了各种各样的新粒子，这些粒子的质量和寿命各不相同，物理学家们感到眼花缭乱。为了理出一个头绪，亟须把这些粒子分门别类。20 世纪 60 年代，盖尔曼提出了「夸克」的概念，盖尔曼认为，人们发现的这些粒子是由「夸克」组成的。最初的夸克理论认为有三种夸克：上夸克，下夸克，奇夸克。后来随着实验上陆续又发现了新的粒子，夸克理论得到发展，人们发现还存在粲夸克，底夸克和顶夸克。

这 6 种夸克，加上电子、缪子和陶子 3 种轻子以及它们相应种类的中微子，基本粒子被分为 3 代夸克和 3 代轻子，还包括传递相互作用的玻色子。

人们终于得到了粒子物理的「元素周期表」，盖尔曼成了粒子物理学领域的「门捷列夫」。

实验中发现的各种粒子中，除了轻子和传递相互作用的玻色子以外，其他粒子都是由夸克组成的。

在这些粒子中，有一类粒子被命名为「强子」。强子包括介子和重子，介子是由一个夸克和一个反夸克组成的粒子，重子是由 3 个夸克组成的粒子。例如，质子是重子，它包含了两个上夸克和一个下夸克；而 K+介子包含了一个上夸克和一个反奇夸克。

把夸克束缚在一起形成粒子的力被称为「强相互作用」，描述强相互作用的理论——量子色动力学（QCD）——并不禁止奇异粒子的存在，所谓的奇异粒子是一类不寻常的粒子。

比如，四夸克态（由四个夸克组成的粒子）、五夸克态（由五个夸克组成的粒子），胶球（由胶子组成的粒子）等粒子属于奇异粒子，它们都是符合 QCD 要求的，它们的存在不违反 QCD 理论。

如果真的能发现这些奇异粒子，QCD 的正确性就能得到有力的证明。

反过来说，如果这些所谓的奇异粒子并不存在，那么现在的 QCD 就是有问题的。

其实早在 2000 年左右，已经有实验组宣称观察到了五夸克态存在的迹象，质量约在 1520MeV 到 1560MeV 的范围。然而，其他实验组没能重复出这个结果……

这一次，LHCb 的物理学家们以令人信服的证据证明了五夸克粒子的存在——它们的质量在 4400MeV 左右。这两个粒子的显著性达到了 9 倍标准差（9sigma），要知道，在粒子物理领域，达到 5 倍 sigma 的显著性才能算是「发现」（discovery）。

LHCb 的团队确信他们发现的粒子正是五夸克态，包含了两个上夸克，一个下夸克，一个粲夸克和一个反粲夸克。他们的科学家认为：实验数据统计量足够大，信号的显著性远超 5 倍 sigma；在分析了所有可能性之后，这个信号必须包含五个夸克。

这两个新发现的「五夸克态」可能是介子和重子耦合得到的，也可能是由五个夸克直接耦合得到的。目前的研究还说不清楚是两种情况的哪一种，需要取得更多的实验数据以供进一步研究。

无论如何，这个发现以确凿无疑的证据表明，标准模型下的量子色动力学是伟大的、光荣的、正确的理论。

想了解更多关于五夸克态的内容，

参见我的另一回答：新发现的五夸克粒子，让我们对物质的认知有了哪些提升？ 

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八卦：

1．清华大学教授高原宁、副教授张黎明和杨振伟等组成的研究团队在五夸克态发现中做出重要贡献。LHCb 国际合作组的八个物理组中，中国组成员担任了两个工作组的召集人。

2．第一个运用量子场论构造五夸克态，用来解释实验结果的努力，来自一个中国科学家，刘觉平。

他的文章参见：APPLICATION OF QCD SUM RULES TO THE RESONANCE LAMBDA (1405)

2016-01-02