發現「上帝粒子」之後，歐洲核子研究中心又撞出了新粒子！

繼2012年發現「上帝粒子」希格斯玻色子後，歐洲核子研究中心6日宣布其大型強子對撞機又撞出了新粒子。

該粒子將為物理學開拓"新前沿"，為研究者們提供一種研究粒子物理標準模型中的宇宙基本力的新方法。

這次發現的粒子就是Xi-cc++——雙粲重子，這是標準模型所預測的重夸克粒子的一種，只是從未有證據能證明這種粒子的存在。標準模型是解釋構成物質的基本粒子之間的相互作用——即四種基本力（萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力）的基礎理論。

但是標準模型並非完美。它雖然能解釋許多宇宙現象，卻只能將除萬有引力之外的三種基本力結合在一起。此外，標準模型尚不能解釋許多根本問題，例如暗物質是什麼以及宇宙大爆炸之後，反物質發生了什麼。新發現的粒子能為標準模型提供支撐，讓科學家們進行新的實驗以更好地理解宇宙原理。

新發現的粒子——「雙粲重子」是什麼？

重子是構成自然界幾乎所有已知物質質量的基本粒子，其中質子和中子是最廣為人知的重子。但是，從更微觀的尺度剖析重子，就會發現重子是由３個夸克組成的。

按照夸克模型的分類，自然界中存在六種不同夸克：u, d, s, c, b, t。前三種較輕，後三種較重。分別稱為上、下、奇、粲、頂和底夸克，上、下夸克質量最小，奇、粲、頂、底夸克質量較大。質量大的夸克只能經由高能粒子的碰撞產生，如宇宙射線或粒子加速器，然後會通過粒子衰變迅速變成上夸克或下夸克。

根據夸克模型，由u, d, s, c夸克可以組成的自旋為1/2的基態重子，圖中最上層包含三個雙粲重子，還有待未來的實驗發現。

理論上應該存在很多種不同組成的重子。此前發現的重子中，３個夸克的質量都差不多，或者其中１個夸克質量較重，夸克之間也基本是等距的。物理學家們預測，世上存在擁有兩個質量較大的「粲」夸克的重子，但是一直沒有得到證實。

這次發現「雙粲重子」則讓理論預測變成了現實，雙粲重子是由兩重一輕的３個夸克構成的重子，即含有兩個c夸克（中譯為「粲夸克」）和一個u夸克（中譯為「上夸克」），帶兩個單位電荷。以往發現的重子最多含有一個重夸克， 這是實驗上首次發現的含兩個重夸克的重子。

衰變過程示意圖

由於c夸克質量遠大於u夸克，雙粲重子內部結構預期迥異於普通重子，對其性質的細緻研究將有助於人類深入理解物質的構成和強相互作用力的本質。

如果畫一幅關於雙粲重子的圖像，就會看到兩個重夸克位於中間，距離非常近，一個輕夸克圍著二者轉。

歐洲核子研究中心發現的XI-CC++雙粲重子與粒子物理標準模型相符。

(圖自：格拉斯哥大學)

「雙粲重子」是怎麼發現的？

早在1974年，華裔物理學家丁肇中和美國科學家里希特就發現了粲夸克，並因此摘得諾貝爾物理學獎。科學家們便按照夸克模型的理論，製作出了含有粲夸克的「元素周期表」，並推斷出雙粲重子在表中的位置和大概性質。

理論物理學家通過數據計算預測到，在大型強子對撞機上有產生雙粲重子的很大可能，並預計它們會有比較大的幾率衰變到幾個容易被檢測到的衰變道。

2010年起，LHCb中國組開始了尋找雙粲重子的嘗試。到2016年底，研究團隊和理論物理學家展開了深入探討，又一次確定了研究方向，隨後開始進行「盲分析」，最終發現了雙粲重子。

研究者們使用了LHCb實驗所得的數據，該實驗旨在探究宇宙大爆炸不久之後發生了什麼，使得物質得以繼續存在，構成現今的宇宙。LHCb的數據是在2016年大型強子對撞機的最後一次運行時收集的。在這些數據中，他們發現了300多個雙粲重子新粒子，遠遠超過上次科學家們相信已找到雙粲重子痕迹時所發現的粒子數。

費米實驗室（Fermilab）的SELEX實驗似乎在十多年前就發現了新粒子，但是後續的實驗卻都以失敗告終。該實驗還為研究該粒子的物理學家們帶來了困擾。「SELEX實驗所觀測到的粒子特性與理論推測不相符，所以該實驗的結論一直以來都存在爭議，還有待其他實驗的證實，」LHCb的領頭科學家帕特里克·斯普拉德林（Patrick Spradlin）對《新聞周刊》（Newsweek）說道。

「SELEX實驗得出的結論是以很少量的觀測結果——大約只有16次粒子相互作用——為基礎。這個數字只讓觀測結果稍具統計意義，」他說，「而我們2016年的數據記錄了313次相互作用，2012年的數據也記錄了113次相互作用。我們的觀測結果具有很大的統計意義，絕對真實。」

科學家們通過觀察粒子的正常衰變道，然後按圖索驥，發現了雙粲重子。2016年資料組所記錄的高碰撞能量，讓該團隊能夠更加容易地找到雙粲重子的痕迹。研究者們發現了300多個雙粲重子粒子，並且向人們展示這些粒子符合標準模型的預測。新發現的粒子質量很大，是質子和中子的3.5倍，其電荷是質子的兩倍。

格拉斯哥大學實驗粒子物理學教授保羅·索勒（Paul Soler）在一項聲明中表示：「這是人類第一次確切地觀察到擁有兩個質量較大的粲夸克的重子，為我們研究將夸克綁在一起的強大力量打開了新的大門。」

LHCb是什麼？

LHCb是歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的粒子物理實驗裝置之一，合作組由來自16個國家72個單位的1185名成員組成。從2010年 LHC 開始運行以來，LHCb 實驗取得了一系列重要研究成果，已經發表學術論文超過350篇。

LHCb-中國組由清華大學、華中師範大學、中國科學院大學和武漢大學的研究人員組成，近年來在強子性質和電荷宇稱對稱性破缺等方面的研究中成績突出。中國組從2010年就開始尋找雙粲重子的嘗試， 粒子的發現無疑進一步鞏固了中國組在國際合作中的地位。

LHCb 國際合作組發言人Giovanni Passaleva教授高度評價中國組的貢獻：「LHCb 的中國科學家對該粒子的發現做出了關鍵性貢獻。這是他們在實驗上長期不懈努力的成果。」

文章參考：

http://www.newsweek.com/cern-lhc-new-particle-charming-standard-model-632532

http://www.dzwww.com/xinwen/guojixinwen/201707/t20170709_16138327.htm

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