大型強子對撞機實驗揭示了「五夸克」粒子的結構

2020-12-04 老胡說科學

介子和重子在五夸克中粘合在一起。

世界上最大的粒子加速器的新結果闡明了五夸克的結構,五夸克是一種由五個夸克結合在一起的奇異粒子。

夸克是構成質子和中子的亞原子粒子,通常成對或三個一組結合在一起,分別形成介子和重子。但是最近對瑞士日內瓦大型強子對撞機的數據分析顯示,存在更大的聚合體,比如五夸克五夸克。現在,科學家們已經能夠處理更多的數據來了解夸克是如何在這些奇怪的五夸克粒子中排列的。事實上,研究人員發現重子與介子結合,形成了一種奇怪的新分子。

大型強子對撞機將質子包加速到接近光速,然後將它們注入一對磁環,磁環在四個點相交。高能粒子相互碰撞,以其他粒子的形式釋放能量和質量,這些粒子在地球上是無法到達的。像LHCb探測器這樣的探測器位於這些碰撞點,並記錄下粒子的噴射。科學家們將這些數據與他們所理解的物理定律進行比較,希望發現未被觀測到但可以預測到的粒子或與這些定律的意外偏離。

早在2015年(並於2016年得到證實),科學家們就在他們的數據分析中首次發現了兩個「峰值」,這是一個圖表上的文字峰值,在這個圖表上,他們在探測器上看到的點擊量超過了其他預期。這些波峰表明存在五夸克的組合,稱為五夸克,大約是質子質量的4.5倍。但是關於這些粒子的性質,比如它們的內部結構,仍然沒有答案。

在收集了大量數據後,LHCb的研究人員又發現了另一個五夸克,並確定2015年發現的其中一個五夸克實際上是兩個質量相近的五夸克。這一次,研究人員意識到這些峰非常薄,這意味著他們能夠獲得五夸克質量的高解析度測量數據。

雪城大學物理學教授、LHCb合作項目物理學家Tomasz Skwarnicki向Gizmodo解釋說,高解析度的部分很重要。根據海森堡測不準原理,你能多好地測量粒子的能量和你能多好地測量粒子衰變所需的時間是有關係的。如果粒子迅速衰變,研究人員就無法獲得他們觀察到的瘦峰。五夸克實際上是一個三夸克粒子和一個兩夸克粒子結合在一起的理論可以解釋這些長壽命。

根據這個理論,它幾乎就像一對奇異的粒子被綁在一起,形成某種奇怪的分子,這種分子只能存在於大型強子對撞機產生的能量中。這種分子是由強核力而不是電磁力結合在一起的,而電磁力是把大多數分子結合在一起的力。別指望五夸克能在地球上找到任何實際用途——它們衰變得很快。但也許它們存在於太空中奇怪物體的中心,比如中子星,斯瓦尼基說。

然而,根據發表在《物理評論快報》上的論文,雙夸克-三夸克分子理論並不是解釋觀測結果的唯一方法。像往常一樣,需要「更多的實驗和理論研究」才能完全確定這些五夸克的內部結構。

但是多虧了更多的數據,我們離真正理解它們越來越近了。

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