一種被認為曾經在大霹靂(the Big Bang)後短暫存在過的神祕粒子,首次在 「 原始湯(primordial soup) 」 中被偵測到。

神秘的存在

特定地來說,這種粒子是在被稱作夸克-膠子電漿(quark-gluon plasma)的媒介、藉由在大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)中碰撞鉛離子而產生的。在由這些碰撞所產生的數兆顆粒子之間,物理學家試著找出 100 顆這些奇異的微粒,稱作 X 粒子(X particle)。

麻省理工學院的物理學家、暨位於瑞士的歐洲核子研究組織(CERN)的緊湊緲子線圈(Compact Muon Solenoid,CMS)國際合作組織成員之一的李嚴基博士(Yen-Jie Lee)說:「這僅僅是故事的開端。我們顯示我們可以找到一個訊號。在接下來的幾年,我們想要使用夸克-膠子電漿來探測 X 粒子的內部結構,這可能可以改變我們的觀點,關於宇宙應該要產生哪一種材料。」

在大霹靂後的短暫瞬間,最初的宇宙並非由我們今日所見、漂浮在周圍的物質所組成的。反而是,有這麼百萬分之一秒,宇宙間充滿了加熱至數兆度的電漿,包含了被稱作夸克(quark)與膠子(gluon)的基本粒子。這就是夸克-膠子電漿。

在比眨眼還要短暫的時間內,電漿冷卻下來,而粒子結合在一起,形成質子與中子,也就是建構成今日一般物質的粒子。但就是在那非常短暫的時間內,在夸克-膠子電漿內的粒子們碰撞、糾纏在一起、然後再度散開形成不同的組態。

那些組態中的其中一種就是如此神秘的粒子,以至於我們甚至不知道它們是如何組合在一起的。這就是 X 粒子,且其在粒子對撞機中很少被看到,且出現時間亦很短暫,以至於難以探測。

大海撈出針

然而,理論上來說,X 粒子可能會非常短暫地出現在,物理學家多年來不斷在粒子加速器中所創造的夸克-膠子電漿中。而這可能提供了一個更好的機會來認識它們。

在 2018 年 LHC 的運轉過程中,帶正電的鉛原子以高速撞擊在一起。大約 130 億次撞擊中的每一次都會產生數萬顆粒子。這可是好一大筆需要篩選的資料。

李博士說:「理論上來說,在電漿中有如此多的夸克與膠子,以致於 X 粒子的生成量應該也會增加。但是人們認為會太難以找到它們,這是因為有其他如此多的粒子也生成於夸克湯中。」

雖然 X 粒子的壽命很短,但是當它們衰變時,它們會製造出大量的較低質量的粒子。為了精簡化數據分析的過程,研究團隊研發出了一個演算法,來辨識 X 粒子衰變的特徵模式。接著,他們將 2018 年 LHC 的資料輸給了該軟體。演算法辨別出了在一個特定質量下的訊號,代表著在資料裡面存在有約 100 顆 X 粒子。這是個非常好的開始。

李博士說:「這幾乎無法想像,我們可以從這麼龐大的資料庫中,篩出這 100 顆粒子。」

未來目標

在目前這個時間點,這些資料還不足以了解關於 X 粒子結構的更多事情,但是這項發現可以帶我們更近一步。既然我們已經知道如何找到 X 粒子的特徵,要從未來的資料組中篩出它們應該更簡單。反過來說,若我們擁有更多可用的資料,就更容易了解它們。

質子與中子每個都是由 3 顆夸克所組成的。物理學家認為 X 粒子可能是由 4 顆夸克所組成,有可能是由一種奇特的、緊密鍵結的四夸克(tetraquark)所組成,或是由一種鍵結較鬆的、由兩顆介子(meson)所組成的新粒子所組成,而一顆介子共包含兩顆夸克。如果是前者的話,因為它們鍵結更緊密,所以會比後者衰變得更為緩慢。

李博士說:「目前,我們的數據與兩種情況的數據均一致,因為我們還沒有足夠的統計數據。在接下來幾年,我們會取更多數據,如此一來我們就能分別這兩種情況。這樣就能夠增加我們的視野,關於在早期的宇宙中,有哪種粒子大量地被製造。」

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參考資料:

  1. Starr, M., (2022, January 24). Physicists Detect Mysterious X Particles in ‘Primordial Soup’ For The First Time. ScienceAlert
  2. Sirunyan, A. M. et al., (2022, January 19). Evidence for X(3872) in Pb-Pb Collisions and Studies of its Prompt Production at √sNN = 5.02 TeV. Physical Review Letters. doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.032001
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-mysterious-x-particles-have-been-detected-in-quark-gluon-plasma(圖:CERN)
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