【物理發現】四個夸克,四種風味

■美國費米實驗室的D0實驗發現了一個新的粒子。這個粒子由四個夸克所組成,而特別的是,這四個夸克的風味各自相異。這是粒子物理學家第一次發現這種粒子。

Photo by Fermilab
Photo by Fermilab

撰文|陳勁豪

在粒子物理的世界中,所有的物質都是由夸克所組成。在標準模型中,夸克一共有六種風味,分別是上(up)、下(down)、奇(strange)、魅(charm)、頂(top)及底(bottom)。當兩個夸克結合在一起的時候,會形成介子(meson),三個夸克組合在一起會形成重子(baryon)。我們常見的質子跟中子就是重子的一種:質子由兩個上夸克跟一個下夸克所組成,而中子由一個上夸克與兩個下夸克所組成。在很長的一段時間中,基本上沒有人看過由四個夸克或五個夸克所組成的粒子。

但是當粒子物理實驗的技術快速進步,粒子對撞的能量更高,累積的數據量更多的情況下,由四個夸克、五個夸克所組成的粒子陸續被發現。這些發現讓粒子物理學家開始思考這些新粒子所代表的意義。之前在日本的Belle實驗、美國的BaBar實驗,還有瑞士的LHCb都看到過帶有四個夸克粒子,從衰變的結果看來,這些四夸克粒子總是會有一種夸克會出現兩次,也就是說這些四夸克粒子總是由三種不同風味的夸克所構成。

這次的新粒子則是來自美國費米實驗室的D0實驗。美國費米實驗室的加速器Tevatron是LHC開始運轉之前,能量最高的加速器。Tevatron把質子跟反質子加速到接近光速,並以質心能量1.96TeV進行對撞(LHC目前是以13TEV進行質子對對撞)。D0是Tevatron的兩大實驗團隊之一。儘管Tevatron於2011年關閉,D0依舊繼續分析過去所取得的龐大數據。

D0發現了一個質量為5.568GeV的新粒子,約略是五個半質子的重量。從這個粒子衰變後的產物,他們發現這個新粒子由四個不同風味的夸克所組成,分別是底夸克,奇夸克,上夸克,下夸克。這不是物理學家第一次看到四個夸克所構成的粒子,但這是第一次觀察到由四種不同風味的夸克所構成的四夸克粒子。

這四個夸克究竟是怎麼結合在一起?是四個粒子緊密的綁在一起?還是兩兩成對然後結合在一起?如果是兩兩成對後結合,那麼這兩對夸克間的吸引力是強還是弱?這些都是物理學家想要回答的問題。只是Tevatron已經結束運轉,這個工作將留待LHC及其他未來的粒子物理實驗來回答。

原始論文
Observation of a new $B_s^0 π^\pm$ state
D0 Collaboration
http://arxiv.org/abs/1602.07588

Symmetry Magazine 2016/02/25: Fermilab scientists discover new four-flavor particle

--
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。

 

加入好友

5,002 人瀏覽過