大型強子對撞機底夸克實驗(Large Hadron Collider BeautyLHCb)首次觀察到由 4 顆魅夸克(charm quarks)所組成的奇異粒子(exotic particle)。

嶄新發現

LHCb 實驗室觀察到一種從來沒有見過的四夸克粒子。這個發現最近發表於歐洲核子研究組織(Conseil européen pour la recherche nucléaire,CERN)的研討會。這可能是一系列先前沒看過的粒子中第一個被發現的奇異粒子。

這個發現會幫助物理學家更佳地了解夸克─一種基本粒子,是所有物質的基本組成部分。當夸克聚在一起時,會形成被稱為強子(hadron),包括有質子與中子的複合粒子。這個突破性新發現可幫助科學家了解夸克們連結在一起而形成複合粒子的複雜方式。

四夸克粒子

夸克通常是兩到三顆聚集起來而結合為強子。數十年以來,理論學家們預測了四夸克強子(tetraquarks)及五夸克強子(pentaquarks)的存在,且在近年包括 LHCb 的實驗中,也證實了數種這些奇異粒子的存在。

這些由不尋常的夸克組合而形成的粒子是研究自然界已知的四種基本力的其中一種的理想對象,也就是結合組成物質的質子、中子、及原子核的強烈交互作用力。此外,這種強烈交互作用力的詳細訊息在判斷嶄新且不可預期的過程是否為新物理跡象、還是只是標準物理上,也是很必要的。

LHCb 實驗室的發言人喬凡尼·帕沙雷瓦博士(Giovanni Passaleva)說到:「由四顆夸克所組成的粒子已經很奇異了,而我們剛剛發現的是第一顆由四顆同型重夸克所組成的粒子,更具體地來說是兩顆魅夸克與兩顆魅反夸克所組成。直到現在,LHCb 及其他實驗中僅觀察到最多有兩顆重夸克的四夸克強子,而且沒有任何一種四夸克強子具有兩個以上的同型夸克。」

開啟新的大門

LHCb 即將到來的發言人,來自曼徹斯特大學(The University of Manchester)的克里斯·派克斯(Chris Parkes)教授說到:「很榮幸能夠接任為 LHCb 的發言人。LHCb 的合作包括了來自 19 個不同國家中超過 1400 名成員,一起合作來使我們的科學目標更加前進。曼徹斯特大學及英國其他十個機構在此合作中扮演重要角色。」

「今日的發現開啟了科學史上另一個令人興奮的章節,讓我們得以研究在極端情況下的物質粒子理論。這種粒子就是一種極端情況,它是一種奇異強子,比起傳統物質粒子中包含了兩或三顆夸克,它包含了四顆夸克,且還是第一個包含了那麼多重夸克的粒子。」

「研究一個極端系統讓科學家們可以壓力測試我們的理論。透過研讀這種粒子,以及對於在未來能夠更進一步發現這類型粒子的展望,我們將測試我們關於夸克是如何結合在一起的理論。」

尋找新粒子

LHCb 團隊透過使用粒子捕捉技術,在一系列平順的背景事件中,尋找過多的碰撞事件,即所謂的「撞擊」(bump),而找到了這種四夸克強子。當從 LHCb 第一次及第二次大型強子對撞機運轉(分別發生於 2009 到 2013 年,及 2015 年到 2018 年間)的完整數據庫中篩檢時,研究人員在粒子的質量分佈中偵測到了這次「撞擊」,其包含了一顆魅夸克及一顆反魅夸克。

這次的撞擊在統計學上具有重要意義,它包含了超過 5 個標準差,這是在宣稱發現新粒子上的正常門檻,且也應證了包含四顆魅夸克的粒子是存在的。

與先前的四夸克強子發現一樣,目前還不完全清楚這種新粒子是否就是「真正的四夸克粒子」,也就是說,是四顆夸克緊密地連結在一起的系統、還是是一對兩顆夸克的粒子以弱鍵結像分子般的連結在一起的結構。無論是哪一種形式,這種新的四夸克強子會幫助理論學家測試量子色動力學(Quantum chromodynamics)的模型,也就是強烈交互作用力的理論。

參考資料:

  1. Robinson, B., (2020, July 1). Exotic never before seen particle discovered at CERN. Phys.Org
  2. Aaij, R. et al., (2020, June 30). Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum. Cornell University. arXiv:2006.16957
  3. 圖片來源:https://www.siliconrepublic.com/innovation/exotic-tetraquark-particle-cern-large-hadron-collider(圖:Daniel Dominguez/LHCb/CERN)

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