最新的大型强子对撞机实验证实,神秘的五夸克亚原子粒子——几年前才被发现——实际上是由两组夸克组成的类分子粒子。

一组夸克形成介子——一种含有夸克和反夸克对的粒子;另一组有三个夸克组成重子——构成宇宙中大部分正常物质的亚原子粒子,包括质子和电子。

这证实了夸克不仅是像离散的弹珠一样挤在一起,而且结构更像是质子和中子在原子核中的结合方式——研究人员称之为“类分子”态。

以前,我们对这些短寿命粒子的认知,主要是基于大型强子对撞机(LHC)在首次观测期间所收集到的数据。当时,粒子物理学家第首次观察到2种五夸克粒子,Pc(4450)+和Pc(4380)+。

粒子名称中的数字是以兆电子伏为单位换算出的质量,它们无疑是硕大的亚原子粒子,其质量超过质子质量的四倍。反复研究之后,团队只能得出它们是由五个夸克组成的粒子。

关于夸克

夸克是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来;只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因,我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。所有的重子都是由三个夸克组成的,比如质子,中子;反重子则是由三个相应的反夸克组成的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

我们知道夸克有六种,夸克的种类被称为“味”,它们是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)。

今年早些时候我们又发现了一种新型的五夸克粒子。

现在,随着LHC的第二次实验运行完成,该团队收获的碰撞数据量是第一次的9倍。

在其中,他们不仅仅新发现了五夸克粒子Pc(4312)+ ,还发现原来Pc(4450)+是两种独立的五夸克粒子信号重叠制造出的假象:Pc(4440)+和Pc(4457)+ 。

因此,总共产生了4个五夸克粒子,Pc(4312)+、Pc(4440)+、Pc(4457)+和Pc(4380)+。考虑到将粒子结合在一起时所需的能量,前三个粒子的夸克团与介子—重子的配对结构相互一致。

当然,还存在一种可能性就是,它们的结构其实并非如此,结构关系表现出的相似性纯粹是出于巧合;但这种可能性较小。

五夸克“分子态”可能也不是这些颗粒的唯一结构,或许存在更奇怪的分子态尚待发现。

当然,更多的研究和数据将有助于解开谜团。例如,一支独立的物理学家团队已经确定,分子态意味着存在4种尚未发现的五夸克粒子结构——也许更多的碰撞数据可以帮助找到它们。

该研究发表在Physical Review Letters上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. emp @ 2019-06-10 21:39:544270961

    单层中子材料近期没指望了, 好失望啊没想到是这样的五夸克哦

  2. lan @ 2019-06-10 21:57:504270975

    呃?粒子是不是可以无限分解下去··?

  3. 食品级怪蜀黍 @ 2019-06-10 22:00:534270978

    夸克和反夸克对为什么没有湮灭呢

  4. 食品级怪蜀黍 @ 2019-06-10 22:23:454271001

    夸克
    和反
    夸克对
    为啥



    不晓得哪个是字典词。。。

  5. 已屏蔽 @ 2019-06-10 22:52:594271020

    夸克再往下是啥?

  6. celk @ 2019-06-10 23:22:414271035

    “还发现与Pc(4450)+在结构上相似但又独立的五夸克粒子:Pc(4440)+和Pc(4457)+”
    应该是:还发现了之前的“Pc(4450)+”其实是两个不同的五夸克粒子Pc(4440)+和Pc(4457)+的信号重叠了(在“质量”坐标轴上)

  7. 悬岳 @ 2019-06-10 23:23:354271036

    @已屏蔽: 到目前的技术为止,没了

  8. zzlouis @ 2019-06-10 23:34:124271047

    我只关心什么时候能造出水滴?

  9. lollycon @ 2019-06-10 23:41:264271052

    @食品级怪蜀黍: 那也要看是什么夸克。而且即使是同一种也不一定 “瞬 间 爆 炸”(某些介子就是最好的例子)

  10. E100 @ 2019-06-11 00:01:334271066

    偶尔几张猫图还行,,,,无聊图刷十页全是猫猫虫真很丧

  11. E100 @ 2019-06-11 00:03:344271068

    好吧我看差了
    点到动物园了

  12. 小瓶盖 @ 2019-06-11 05:29:174271102

    最终发现 哦 原来我们生活在一个虚拟的世界

  13. 鲸鱼 @ 2019-06-11 08:04:164271115

    你以为你加粗字体我就能看懂吗?哈哈!你太天真了。

  14. telepathy @ 2019-06-11 09:00:164271143

    “另一组有三个夸克组成重子——构成宇宙中大部分正常物质的亚原子粒子,包括质子和电子”,应该是质子和中子,如果有人发现了电子的内部结构那诺奖妥妥的。

  15. celk @ 2019-06-11 09:25:404271163

    @食品级怪蜀黍: 首先有一部分介子是由不同“味”的正反夸克组成的,例如正电pi介子 π+ 的构成是上夸克+反下夸克,正电K介子 K+ 的构成是上夸克+反奇夸克。这些介子无法“直接”湮灭,寿命较长,能够存在几十纳秒,然后才经由弱相互作用衰变成正μ子+μ子型中微子。

    另一部分则是由相同“味”的正反夸克组成的,例如丁肇中的J/psi介子 J/ψ 的构成就是粲夸克+反粲夸克,中性π介子 π0 也类似(但略复杂点),这种介子的寿命在0.0000001纳秒以下,J/ψ的寿命甚至只有0.000000000007纳秒,之所以这么短就是因为它主要经由电磁相互作用衰变,啪的一下就湮灭成了两个光子(或者还有其他电子、胶子等等)。

  16. 香芋 @ 2019-06-11 17:23:064271573

    @lan: 就目前的实验结果而言轻子(电子,μ子和τ子)都没有看到更小的微观结构,所以现在这个时候这个问题的答案是不可以

  17. 派大星 @ 2019-06-11 22:18:154271782

    感觉就像小学生拆家里的老电视机 最终拆到高压包 下辈子重新拆一遍

  18. 春虫虫 @ 2019-06-12 12:31:224272145

    一直有个疑问:夸克被关禁闭撞不出来,那是怎么知道质子中子是由夸克组成的?怎么知道夸克之间是由胶子粘连的?