LHC發現一個新的含有兩個魅夸克的粒子

■LHC的LHCb實驗新發現一個帶有三個夸克的粒子。特別的是三個夸克中,有兩個是相對較重的魅夸克。

Image © CERN

撰文|陳勁豪

根據粒子物理的標準模型,現今的物質世界都是由夸克與輕子所構成的。我們中常見的電子是輕子的一種。夸克目前被認為是物質的最基本結構,當兩個夸克結合在一起會形成介子,而三個夸克則會形成重子。構成所有原子核的質子與中子就是由三個夸克所構成。

美國物理學家 Murray Gell-Mann 在六零年代透過對強子的分類,提出了夸克模型,並成功的預測出新粒子 Omega (三個奇夸克)的存在。在1974年的時候,丁肇中與 Burton Richter 發現了魅夸克(c)之後,物理學家了解除了三個質量較輕的上夸克(u),下夸克(d)和奇夸克(s)之外,還有其它更重的夸克存在。之後物理學家又發現了更重的底夸克(b)與頂夸克(t)。一般來說,頂夸克自成一類,而魅夸克與底夸克被合稱為重夸克 (heavy flavor quarks)。

由於頂夸克的質量(~170GeV)遠大於其他的五種夸克(次重的底夸克質量約5GeV),因此目前沒有發現頂夸克可以與其他夸克形成介子或重子的情況。但是對物理學家而言,尋找含有重夸克的強子,對了解夸克間的交互作用相當重要,因為如果三個夸克可以組成一個重子,那麼除了頂夸克以外的五種夸克應該可以組成各式各樣的強子。但是經過多年的實驗結果,物理學家很快就體認到要找含有重夸克的強子很不容易,含有兩個重夸克的強子就更罕見了。

位於LHC的LHCb實驗,日前發表了最新的研究結果,宣佈發現了一個新粒子。這個粒子的名字叫做Xi_cc^++,由兩個魅夸克與一個上夸克形成。質量約3.621GeV,相當於質子的四倍重。

這種含有兩個重夸克的粒子之所以不容易尋找,主因有二。其一是不容易產生,其二是不容易分析。以LHC來說,當高能質子對撞後,每次碰撞會產生大約二十個粒子。偵測器必須有著相當靈敏能量與動量解析度,並且能夠區分各個粒子的種類,物理學家才能夠透過理論上預測的衰變模式來重建這個新粒子。以這個新粒子來說,LHCb需要每次的碰撞事件中先找出一個帶一個正電荷的lambda_c粒子,一個帶負電荷的K介子,一對正負pi介子的事件後,才能重建出這個新粒子。

透過這個新粒子,物理學家可以研究這種帶兩個重夸克的強子如何與第三個較輕的夸克作用。有些理論認為這三個夸克中的兩個重夸克可能會形成一個類似雙星結構的系統,兩者相互運行,然後比較輕的上夸克繞著這個「雙星系統」轉。但是否真是如此,則需要更多的實驗數據來協助我們認識這個系統。

原始論文:
Observation of the doubly charmed baryon Ξ++cc
LHCb Collaboration

相關報導:
CERN Press Release 2017/07/06: The LHCb experiment is charmed to announce observation of a new particle with two heavy quarks

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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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