大型強子對撞機實驗揭示了神秘的五夸克亞原子粒子的內部結構

最新的大型強子對撞機實驗證實，神秘的五夸克亞原子粒子——幾年前才被發現——實際上是由兩組夸克組成的類分子粒子。

一組夸克形成介子——一種含有夸克和反夸克對的粒子；另一組有三個夸克組成重子——構成宇宙中大部分正常物質的亞原子粒子，包括質子和電子。

這證實了夸克不僅是像離散的彈珠一樣擠在一起，而且結構更像是質子和中子在原子核中的結合方式——研究人員稱之為「類分子」態。

以前，我們對這些短壽命粒子的認知，主要是基於大型強子對撞機(LHC)在首次觀測期間所收集到的數據。當時，粒子物理學家第首次觀察到2種五夸克粒子，Pc(4450)+和Pc(4380)+。

粒子名稱中的數字是以兆電子伏為單位換算出的質量，它們無疑是碩大的亞原子粒子，其質量超過質子質量的四倍。反覆研究之後，團隊只能得出它們是由五個夸克組成的粒子。

關於夸克

夸克是一種基本粒子，也是構成物質的基本單元。夸克互相結合，形成一種複合粒子，叫強子，強子中最穩定的是質子和中子，它們是構成原子核的單元。由於一種叫「夸克禁閉」的現象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來；只能夠在強子裡面找到夸克。就是因為這個原因，我們對夸克的所知大都是來自對強子的觀測。所有的重子都是由三個夸克組成的，比如質子，中子；反重子則是由三個相應的反夸克組成的。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。

我們知道夸克有六種，夸克的種類被稱為「味」，它們是上、下、粲、奇、底及頂。上及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程。就是因為這個原因，上及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、粲、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生(例如宇宙射線及粒子加速器)。

今年早些時候我們又發現了一種新型的五夸克粒子。

現在，隨著LHC的第二次實驗運行完成，該團隊收穫的碰撞數據量是第一次的9倍。

在其中，他們不僅僅新發現了五夸克粒子Pc(4312)+ ，還發現與Pc(4450)+在結構上相似但又獨立的五夸克粒子：Pc(4440)+和Pc(4457)+ 。

因此，總共產生了4個五夸克粒子，Pc(4312)+、Pc(4440)+、Pc(4457)+和Pc(4380)+。考慮到將粒子結合在一起時所需的能量，前三個粒子的夸克團與介子—重子的配對結構相互一致。

當然，還存在一種可能性就是，它們的結構其實並非如此，結構關係表現出的相似性純粹是出於巧合；但這種可能性較小。

五夸克「分子態」可能也不是這些顆粒的唯一結構，或許存在更奇怪的分子態尚待發現。

當然，更多的研究和數據將有助於解開謎團。例如，一支獨立的物理學家團隊已經確定，分子態意味著存在4種尚未發現的五夸克粒子結構——也許更多的碰撞數據可以幫助找到它們。

該研究發表在Physical Review Letters上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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