【物理新知】發現五夸克粒子

■瑞士大強子對撞機(LHC)的LHCb實驗日前發表了一項特別的結果:他們看到了由五個夸克所組成的粒子。

CERN / LHCb Collaboration
五個夸克所組成的粒子(CERN / LHCb Collaboration)

撰文|陳勁豪

在高能物理的世界中,所有的物質都是由夸克(quark)所組成。根據目前的標準模型,夸克有三代,每代有兩種夸克,所以一共有六種夸克。當夸克因為強作用力而結合,便會形成強子(hadron)。兩個夸克會形成介子(meson),三個夸克則會形成重子(baryon)。目前組成萬物的質子跟中子都是重子的一種,也就是各帶有三個夸克。質子是由兩個上夸克跟一個下夸克所組成,而中子則是一個上夸克跟兩個下夸克所組成。至於單一夸克基本上沒有辦法獨立存在,只有質量最重的頂夸克能夠在很短暫的時間內獨自存在。

物理學家認為夸克都是以兩兩成對或是三個一組的方式以介子或是重子的形式存在,但是物理學家始終好奇是否可以以四個夸克或是五個夸克的形式組成新粒子。在四夸克粒子的部份,物理學家的確觀察到好幾組可能的事件。但是在五夸克的部份,事情就沒有那麼簡單。

要形成五夸克粒子,簡單的想法就是想像一個由強子(三個夸克)跟介子(兩個夸克)所結合產生的粒子,或是五個夸克緊緊的結合在一起。從2004年開始,幾個高能實驗陸續發表了五夸克粒子的跡象,但是卻一直沒有辦法重複驗證,所以到了2008左右,一般普遍認為實驗沒有足夠證據證明五夸克粒子存在。

到了2015年,LHCb實驗的新結果又點起了大家對五夸克粒子的興趣。相對於LHC的兩大實驗:ATLAS跟CMS,LHCb專注於研究底夸克(bottom quark)相關的物理,簡單的說就是由底夸克所組成的介子跟重子的各種衰變模式。LHCb的研究人員透過研究一個叫做lambda b的重子的衰變模式,發現這個lambda b會衰變成一個J/psi介子,一個質子,還有一個帶電的K介子。如果分析這個衰變模式的J/psi跟質子所形成的質量譜線,會發現兩個新的中間態,質量分別是4.450GeV跟4.380GeV,或是約為質子的4.74跟4.67倍。這暗示這個新的五夸克粒子的組成可能是由兩個上夸克,一個下夸克,還有一對正反魅夸克(charm quark)所組成。

相對於2000年中期所發現的五夸克粒子,這次LHCb發現的五夸克粒子更重,所以可能表示這個五夸克粒子間的束縛能量更強。至於這個五夸克粒子的其他性質,將有待LHC新一輪的實驗來繼續研究。

原始論文
Observation of $J/ψp$ resonances consistent with pentaquark states in ${Λ_b^0\to J/ψK^-p}$ decays

參考資料
1. CERN 2015/07/14: CERN’s LHCb experiment reports observation of exotic pentaquark particles
2. Nature 2015/07/14: Forsaken pentaquark particle spotted at CERN

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作者:陳勁豪 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。2011年於美國紐約州立石溪大學(SUNY at Stony Brook)取得博士學位,研究主題為相對論性重離子碰撞(Relativistic Heavy Ion Collision)。長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯。

 

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