美首次觀察到粲夸克與反粲夸克「混合」

2020-11-23 中國科學院

　　據美國趣味科學網站1月3日（北京時間）報導，美國費米國家加速器實驗室的科學家宣稱，他們首次觀察到了粲夸克（charm quark）衰變成其反粒子（反粲夸克）現象。1974年，科學家首次預測了這種名叫「混合」的現象，但至今實驗室未觀察到。科學家們表示，最新實驗不僅有助於回答為什麼宇宙由物質組成這個問題，而且，也有可能找到新粒子存在的證據。研究發表在最近出版的《物理評論快報》上。

　　夸克是一種基本粒子，也是構成物質的基本單元，存在著6種夸克：上夸克、下夸克、頂夸克、底夸克、奇夸克和粲夸克。一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，而理論預言傳遞強相互作用的膠子（Gluon）也由夸克組成。

　　在費米實驗室的粒子加速器內，兩個質子以接近光速相互碰撞，隨後爆炸成一團包含有不同類型夸克的粒子云。兩個質子相互碰撞會產生足夠高的能量，使夸克重新組合成介子（meson），其由一個夸克和一個反夸克組成。介子和這種高能碰撞產生的大部分粒子的壽命都很短暫，很快會衰變成其他類型的粒子。科學家們這次在實驗中不僅觀察到了粲夸克，也發現粲夸克自發地變成反粲夸克。

　　粒子物理學標準模型預測，粲夸克可能會採用這種方式衰變，但迄今為止，科學家們從未觀察到這一現象。而且，這種夸克「混合」的數學計算非常複雜。該研究的合作者、美國韋恩州立大學的物理學家保羅·卡新說：「標準模型存在的一個問題是，其方程式並沒有簡單的解。在高能實驗中，很難對包括強相互作用在內的情況進行計算。」

　　對粲夸克和反粲夸克之間的轉換進行觀察，或許還能為我們提供有關「丟失的反物質」的證據。如果它們的行為一樣，那麼，就沒有所謂的「宇稱破壞」了，反之，相反。研究人員指出，儘管最新實驗沒有發現「宇稱破壞」，但這或許只意味著「宇稱破壞」中可能會出現的參數被限定於某一範圍，「宇稱破壞」仍有可能出現。

　　科學家們將繼續進行實驗，以釐清粲夸克和反粲夸克的行為是否相同。卡新表示：「這將打開一個全新的探索領域。」

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    歐洲核研究組織(CERN)的大型強子對撞機(LHCb)最近發現一種新的四夸克粒子X(6900)，由兩個粲夸克和兩個反粲夸克組成。四夸克粒子X(6900)示意圖。(CERN)夸克是構成質子和中子的亞原子粒子，通常兩個或者三個一組。兩個夸克組成介子，三個夸克組成重子。質子和中子是人們最熟悉的三夸克粒子。夸克有六個味態，包括上(up)、下(down)、頂(top)、底(bottom)、粲(charm)和奇(strange)。每種夸克有它們對應的反粒子。
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