中國科學家主導發現新型粒子 到底有何重要意義?

歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）上的底夸克探測器（LHCb）實驗組宣布發現雙粲重子，歐洲核子研究中心專門進行了新聞發布。而中國研究團隊在新發現中作出關鍵性貢獻。什麼是雙粲重子，為什麼科學家要尋找這種粒子，它的發現有何重要意義？科技日報記者就此採訪了底夸克探測器中國組負責人、清華大學工程物理系教授高原寧。

底夸克探測器局部圖

雙粲重子含有兩個c夸克（「粲夸克」）和一個u夸克（「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，這次是實驗上首次發現含兩個重夸克的重子。

首次發現含有兩個重夸克的重子

在粒子物理學中，標準模型是一套描述基本力（強力、弱力和電磁力）及組成所有物質的基本粒子的理論。在標準模型中，基本粒子可以分為費米子和玻色子，費米子又可以再分為輕子（比如電子）和夸克。

按照標準模型的分類，重子由三個夸克組成，熟知的質子和中子是最常見的重子。自然界中存在六種不同夸克，分別是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克和底夸克。前三種較輕，後三種較重。

理論預期存在很多種具有不同組分的重子。此前發現的所有重子都最多只含有1個重夸克。例如，質子具有兩個上夸克和一個下夸克，中子則具有兩個下夸克和一個上夸克。此次發現的新粒子之所以與眾不同，是因為它含有兩個重夸克。

新發現的雙粲重子含有兩個粲夸克和一個上夸克，帶兩個單位電荷，質量約為3621兆電子伏特，幾乎是質子質量的4倍。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。

高原寧說，由於粲夸克質量遠大於上夸克，它的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。

繼2012年發現「上帝粒子」希格斯玻色子後，標準物理模型這塊大拼圖已基本完成。「在解決具體問題上還缺少一些細節，比如在重子中夸克之間是如何作用的，等等。」高原寧說，強相互作用是形成原子核等重要物質的最關鍵的力，分子、原子的質量90%以上都來源於強相互作用。雙粲重子的發現，讓科學家們可以探索強相互作用在這種新的夸克構成之下，會有什麼新性質，有助於加深對強相互作用本質的了解。

給標準理論模型補充一塊拼圖

「我們從2010年起開始這項研究，經過多年努力終於取得不錯的成果。」高原寧說。

底夸克探測器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，專門進行含有重夸克粒子的產生和衰變性質研究。底夸克探測器合作組由來自16個國家、72個單位的1185名成員組成，其中中國組由清華大學、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，中國組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。

為什麼中國組將尋找含有兩個粲夸克的重子作為目標？「根據夸克模型，基態重子的數量是一定的，例如，由上夸克,下夸克,奇夸克和粲夸克可以組成20個自旋為1/2的基態重子，高能物理學領域一直在尋找這些不同組分的重子，希望能進一步驗證標準模型。」高原寧說。

在此之前，科學家們已經找到上夸克、下夸克、奇夸克這三種較輕夸克組合成的不同重子。「標準模型最成功的是預言了含有三個奇夸克的重子的存在，後來真的被找到了。此外，由一個重夸克和兩個輕夸克組成的重子也基本被發現。」高原寧說，所以尋找含有兩個較重夸克的重子成為主要目標。

「大家當然也希望找到含有兩個底夸克的，但是由於粲夸克質量比底夸克小，所以產生它更容易，我們就從雙粲重子入手了。」高原寧說。

事實上，早在1974年，華裔物理學家丁肇中和美國科學家裡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。

「這次的發現相當於我們又給標準模型提供了證據，給這個大拼圖完善了一小塊。」高原寧說，新粒子的發現表明該模型仍是目前描述基本粒子的最好理論。

尋找新粒子的腳步不停

「這次的發現也驗證了我們之前提出的，在高能物理裝備上進行質量相對較小粒子實驗的可行性。」高原寧說。

他解釋道，希格斯玻色子的質量為125GeV（千兆電子伏），需要高能對撞機來產生。頂夸克由於壽命太短無法與其它夸克形成穩定重子，而其它夸克的質量均在5GeV以下。此前有觀點認為，對重子的研究用不上大型強子對撞機。「實驗結果表明，這麼高的能量雖然不是研究此類重子的必要條件，但確實可以能有比較好的效果。」

高原寧說，此次的新發現，使大家對尋找更多類型雙粲重子的未來，更加篤定，各國科研人員都會加速尋找。理論認為，至少存在3個基態的類雙粲重子，剩下兩個會更難發現，需要更多數據和更細緻的分析。

中國科學家將為此繼續努力。同時，未來一段時間內的目標是精確測量雙粲重子的壽命。雙粲重子本身非常「短命」，在「出生」之後會迅速衰變。此外，他們還要繼續探索雙粲重子是否衰變到了其他的衰變道。

高原寧說，發現新物理理論和求解標準理論模型一直是高能物理領域的兩大方向。

雖然標準模型以驚人的準確度描述了大量不同的現象，從恆星內部的核聚變機制到希格斯粒子的產生，被認為是人類目前整合得最成功的一套科學理論，但這套理論沒有包括一個量子引力理論，沒能實現相互作用力統一。標準模型還不能描述暗物質和暗能量，而這兩者組成了宇宙中95%的質能。因此，物理學家們希望能發現解釋這些現象的新物理理論。

同時，大量實驗依然在尋找標準理論預言的各種粒子。「標準模型里還有很多東西沒搞清楚。比如我們2015年發現了5個夸克組成的強子，北京正負電子對撞機上發現過4個夸克的強子，那麼是不是還有6個夸克的強子？這些強子內部夸克之間的結構怎樣，如何相互作用？」高原寧說，這就像上帝寫了一個方程式，也給出了標準答案，但人們並不知道解題的中間過程。

「雖然我們迄今的發現都沒有跑出目前的理論物理體系，但我們相信隨著數據積累得越來越多、越來越好，未來發現新物理體系的可能性也越來越大。」高原寧說。

本報記者 操秀英

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