新粒子开启的新物理学时代(2)

时间:2015-08-19 05:44:06 

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)与乔治·茨威格(George Zweig)在1964年首次提出了夸克模型。十几年之后,丹尼尔·施特罗特曼(Daniel Strottman)在1979年预测了可能存在一种由5个夸克构成的奇异粒子,直到36年之后这种奇异的粒子才终于被发现。夸克之间是由强相互作用结合在一起,而由5个夸克构成的粒子内部,夸克之间必定存在着非常复杂的相互作用,这是人类理解强相互作用、完善量子色动力学的极佳机会。研究这种前所未见的夸克结合方式,也将使物理学家对于宇宙大爆炸发生之后物质的结合形式有更深的理解——在宇宙大爆炸之后,物质为什么大多形成中子与质子,进而形成原子,而不是形成五夸克粒子?

粒子物理学家们已经把最新发现的这种由5个夸克结合在一起形成的粒子的两种结构命名为Pc(4450)+ 与Pc(4380)+,这种粒子包含两个“上夸克”、一个“下夸克”和一个“正反粲夸克”对,这并不是2002年日本科学家们所宣布发现的那种五夸克粒子,而是由不同的夸克组成,质量也重了大约三倍。

相比于当时通过质子对撞实验产生五夸克粒子的大型强子对撞机,现在这架经过了休整和升级的巨型机器的粒子对撞能量已经是当时的两倍以上。在未来的强子对撞实验中,必将出现更多形式的五夸克粒子。在2015年7月,大型强子对撞机LHCb合作项目的科学家们共同在网上发表了一篇48页的论文,报告发现的五夸克粒子,目前这篇论文已经被《物理评论快报》(PRL)杂志接收。

对于这个最新发现,盖尔曼在欣喜之余,也表示他预测在未来会有更多的奇异粒子被发现。不仅会出现更多由夸克和反夸克结合组成的粒子,也有可能出现没有夸克,而纯粹是由胶子构成的粒子。五夸克粒子的出现,表明粒子物理学正在进入一个全新的时代,这只是一个开始。在确认了这种粒子的存在之后,物理学家们需要利用描述基本粒子行为的标准模型来解释五夸克粒子的行为。而且根据现有理论,在6种(正反)夸克中任何5个夸克的组合都有可能形成一种五夸克粒子,而目前人们刚刚发现一种五夸克粒子的两种结构。为什么人们会首先发现这种粒子,它们之间是如何结合在一起的,它为什么具有这样的质量,接下来人们还可能发现哪些五夸克粒子?这些问题,利用目前量子色动力学提供的数学工具很难给出理论答案,因此,粒子物理学家们只能继续期待着大型强子对撞机,这个庞大的机器能够源源不断地提供更有价值的强子对撞实验数据。

(本文写作参考了《自然》杂志的报道)

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