跟蹤包含粲夸克的粒子以深入了解夸克如何結合

2020-12-03 量子認知

粲夸克，英語：Charm quark，是在粒子物理學的標準模型裡六種夸克中的一種夸克，其它五種分別為上夸克、下夸克、奇夸克、頂夸克、與底夸克。

核物理學家試圖了解夸克和膠子的粒子如何結合形成強子，即由兩或三個夸克組成的複合粒子。

為了研究這個稱為強子化的過程，一個核物理學家團隊在相對重離子對撞機（Relativistic Heavy Ion Collider，縮寫：RHIC）上使用了STAR探測器，該探測器是美國布魯克黑文國家實驗室進行核物理研究的設施，用於測量氫的相對豐度。

在金核的能量碰撞中產生了某些兩夸克和三夸克強子。碰撞瞬間「融化」了構成金核的質子和中子之間的邊界，因此科學家們可以研究其內部構造單元，夸克和膠子如何重組。

如圖所示相對重離子對撞機上的STAR探測器的重味跟蹤器組件記錄的金-金碰撞。白點顯示碰撞中出現的粒子撞擊的三層中的傳感器時記錄的「碰撞」。科學家利用這些撞擊來重建帶電粒子軌跡（紅線和綠線），以測量碰撞產生的某些特定種類的粒子的相對豐度。

該研究團隊研究了含有較重的粲夸克的粒子，這些粒子比較輕的粒子更容易追蹤，以了解這些測量結果如何與不同解釋的預測相吻合。

在最近的《物理評論快報》上所發表的測量結果顯示，三夸克強子比被廣泛接受的強子化解釋（碎片化）所預期的多得多。結果表明，相反，相對重離子對撞機產生的緻密顆粒湯中的夸克通過稱為聚結的機制更直接地重組。

勞倫斯伯克利國家實驗室物理學家、STAR協作分析負責人辛冬表示，「由兩個或三個夸克組成的強子是我們世界中可見物質的基礎，包括構成原子核的質子和中子。但是我們從來沒有將它們的內部基礎（夸克和膠子）視為自由物體，因為夸克總是被「限制」在複合顆粒中。」

相對重離子對撞機的重離子碰撞產生了一種稱為夸克-膠子等離子體的物質狀態，這是一種熱粒子湯，它模仿了早期宇宙的樣子，其中夸克被限定或脫離了它們在複合物中的稱為強子的常規範圍粒子。

耶魯大學教授兼STAR協作發言人海倫·凱恩斯（Helen Caines）說：「通過追蹤從相對重離子對撞機碰撞中逸出的顆粒，我們可以探索強子化的機制，以及強核力如何將夸克限制在普通物質中。」

研究人員使用了安裝在相對重離子對撞機上的STAR探測器4米寬的時間投影室中心的高解析度重味追蹤器測量了「粲」強子，即包含粲夸克的強子。

該研究對於了解聚結的機制提供新的見解，有助於揭示夸克和膠子如何被限制在強子中以建立原子核的結構，而原子核是構成我們世界上所有事物的物質的核心。

參考：First Measurement ofΛcBaryon Production inAu+AuCollisions at√sNN=200GeV. PHYSICAL REVIEW LETTERS. 2020

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