大型强子对撞机发现新奇异五夸克粒子，夸克是如何结合形成复合粒子的

科学家们对2021年发现的一颗粒子进行了重新检查，对它的真实身份进行了辩论。

任职于美国锡拉丘兹大学的教授托马兹·斯卡沃尼基作为科学工作者已经三十年了。他和他的工作伙伴们对罕见的反应过程进行了精密测量，甚至发现了新的粒子。然而据他所说，他们对2021年发现的一种粒子的再检测分析结果罕见地让他感到震惊。

（大型强子对撞机，百度）

斯卡沃尼基教授在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机底夸克实验实验组工作已逾十年之久。他利用大型强子对撞机产生的碰撞来寻找夸克的新型奇异组合方式。夸克是可以连接在一起形成强子的基本粒子--其中最常见的正是包围在我们身边各种物体的原子组成部分中发现的离子和中子。数十年来，科学家们只了解到强子可以由三个夸克组成或者一个夸克和一个反夸克组成。但是对由四个或五个夸克组成的粒子的观测已经开始挑战这几十年来的典范之说。然而，关于这些新型奇异组合的粒子的一个重要问题是这些夸克结构是如何构建起来的。

其中他们对于夸克粒子是如何构建的主要兴趣来自于对夸克粒子的一大基本性质--色荷的研究。

丰富的色彩

色荷与电荷类似，因为它在粒子之间存在强烈的作用力。恰如带有相反电磁电荷的磁铁相互吸引，带有不同色荷的夸克粒子也相互吸引。目前已知的色荷有三种：红色，蓝色和绿色。（对于反夸克粒子则有反红，反蓝和反绿三种）

夸克粒子们通常两个或者三个一组结合，这并不是巧合。在自然界中，迄今为止科学家们只发现了具有色中性的物体。他们发现一个强子由一个夸克和一个相反色荷的夸克组成（例如红色和反红色），同时强子还可以由不同色荷的三个夸克组成（一个红色夸克，一个蓝色夸克和一个绿色夸克，它们相互中和）

数十年来科学家们一直在期待找到可以打破常规的夸克的新型组合方式--例如两个物质夸克结合到一起成为一个双夸克粒子。

因为带有色荷性质的夸克们之间存在的作用力比起电场作用力来说要更加强几个数量级，绝大多数专家坚持认为只存在完全中性色荷的强子这一说法是可能的。但是仍有一些理论家坚守认为只要有正确的组合方式，就会有哪怕短暂存在的非中性色荷的强子这一可能。

假使他们能够找到一种并非完全色荷中性的夸克粒子的组合方式，德国电子同步加速器研究所的一位理论物理学家艾哈迈德·阿里感慨道：“这将会打开一个崭新的世界的大门”

同时如果他们可以找到一种控制电荷的方式，他说：“它的意义会是影响深远的。”上一次科学家们弄清楚了如何分离基本粒子的电荷从而发现了电。

科学家们认为独立出一种非中性的夸克集团根本是不可能的。但是有一些人希望在大型强子对撞机产生的碰撞中，某一种理论上的双夸克组合可以立刻清楚地展现在大众眼前。阿里说道：“通过实验发现一种双夸克组合方式将会成为很大的突破”科学家们已经做了一些十分有前景的观测--展示了夸克粒子的复杂组合方式。自2003年以来，数不清的实验都观测了似乎由四个夸克组成的粒子。在2021年，大型强子对撞机底夸克实验宣布了新的发现--第一种由五个夸克组成的粒子-五夸克。

（来自新闻截图）

但是由大型强子对撞机底夸克实验合作成果的最新分析对这个五夸克粒子的定义提出了问题--它可能使得科学家们在搜寻可解释清楚颜色的问题上无功而返并再次回到原点。

第三方面

当斯卡沃尼基教授第一次看见大型强子对撞机底夸克实验中发现的五夸克粒子，它似乎像是一个大而宽的肿块，猝不及防地出现在产生质子和叫做J-psi的粒子的碰撞过程中的数据里。它并不是特别的清晰，教授说道：“这就像在凝视遥远而失焦的图像。”

（原文）

2021年（已修改），斯卡沃尼基教授和他的同事使用了较之从前十倍数量的数据再次进行了分析，其中的差异非常突出。他说：“我是第一个看到数据的人，这太棒了”

令人吃惊的是，与其说是看到一个单独的大的整个五夸克粒子，斯卡沃尼基教授却突然看到了三个独立的五夸克。他说道：“大型强子对撞机的运动数据的峰值又尖锐又窄，每一个五夸克都有相同的夸克组成，但因为它们处于不同的量子态，因此被赋予了不同的质量。”

这个新结论引发了一场关于五夸克到底是怎样结构的观点辩论。阿里说：“其关键问题是夸克粒子们如何组合自己”

“由此，不同的理论阵营间存在一种潜在的争论--当然这一点已经很明显体现出来了。”

原子营

特拉维夫大学的理论家Marek Karliner和他在芝加哥大学的同事Jon Rosner对三个独立五夸克的发现并不感到惊讶。

Karliner说道：“这三个五夸克的重量恰好和我们的期望相符”

也就是说，如果这个五夸克不是一个紧紧束缚的五夸克，恰好在这里你可以期待它们是一种新的原子核，由两个容易理解，中性色的部分组成，一个重子由两个夸克组成，一个介子由三个夸克组成。

他们的推理是怎样的呢？他们采用了简单的加法。他说：“我们希望原子核的重量十分接近它的各个组成部分的总和”

其中最轻的五夸克的重量接近一个被称为D重子和一个被称作σ-C介子的三夸克微粒的总重量，他们之间似乎有所关联。较重的这两个五夸克粒子可以由两个相同的微粒组成，但是由于它们内部夸克没有对准的结构些微地增加了它们的能量，因此它们的质量略大于五夸克质量的总和。

另一个展现在Karliner面前的特别之处是它的寿命。在对这种五夸克的原子核的解释中，这两个泾渭分明的夸克团彼此之间只存在微弱的拉力，从而形成了一种新型的亚稳定原子核。

Karliner说道：“它们比我们通常观察到的由夸克粒子组成的处于复合不稳定状态的粒子来说更加长寿。在核图像中显示中，它们的长寿命是很普遍的事情。”

一些科学家认为一个紧紧束缚的五夸克可能有许多非中性的色荷。

欧洲核子研究所

简单来说，阿里对五夸克粒子的核模型有一点失望。尽管分子五夸克是一个全新发现，他说：“但是它仍是由已知的强子再组合形成的，并不涉及新的知识和新的颜色结构。”

他真正想要发现的是这紧紧束缚的五夸克是由五个夸克粒子被强作用力拉近的事实证据。阿里推测一个真正的紧紧束缚的五夸克中，其夸克颜色可以以一种允许非中性色荷存在的方式来混合产生。

他对存在更为复杂夸克组合方式的可能性持积极态度，他说道：“描述夸克运动行为的理论原则十分丰富，同时这里也有许多可以展示粒子自身的结构和表现形式。”

大型强子对撞机因升级而暂时关闭，这将会利于为实验收集更多数据以便科学家们能够更细致地观察五夸克粒子结构。阿里说：“我估计这不会是故事的结局，而仅仅只是开始，我们正一只脚踏进一个崭新的强子的世界，我猜测能发现更多相关物质。”

作者: Sarah Charley

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最近，欧洲核子研究中心(CERN)的大型强子对撞机之美（LHCb）实验团队在欧洲物理学会高能物理会议（EPS-HEP）上提出了一个新发现。 LHCb发现的新粒子被标记为Tcc+，是一个四夸克--一个包含两个夸克和两个反夸克的奇特强子。 它是迄今为止发现的寿命最长的奇特物质粒子，也是第一个包含两个重夸克和两个轻反夸克的粒子。

夸克是构成物质的基本组成部分。这些夸克以不同的方式组合在一起，构成不同类型的物质--像质子和中子这样的重子是由几个夸克组成的，而介子是由夸克与反夸克（它们的反物质等价物）配对而成的。近年来，科学家已经发现了一些所谓的奇特强子--具有四个或五个夸克的粒子，而不是传统的两个或三个。最新的发现是一个特别独特的奇特强子。

这种新粒子包含两个粲夸克（Charm quark），一个上反夸克和一个下反夸克。近年来已经发现了几个四夸克（包括一个有两个粲夸克和两个反粲夸克的四夸克），但这是第一个被发现有粲夸克的粒子，它没有被自己的反粲夸克所抵消。物理学家将Tcc+称为“ double open charm”。

此外，Tcc+还有其他有趣的特征。它是第一个被发现的属于有两个重夸克和两个轻反夸克的四夸克一类的粒子。这种粒子通过转化为一对介子而衰变，每个介子由一个重夸克和一个轻反夸克组成。根据一些理论预测，这种类型的四夸克的质量应该非常接近于两个介子的质量之和。这种质量上的接近使得衰变变得"困难"，导致粒子的寿命延长，而事实上Tcc+是迄今为止发现的寿命最长的奇特强子。

这一发现为寻找更重的同类型粒子铺平了道路，其中一个或两个粲夸克被底夸克取代。具有两个底夸克的粒子特别有趣：根据计算，其质量应该小于任何一对B介子的质量之和。这将使衰变不仅不太可能，而且实际上是被禁止的：该粒子将不能通过强相互作用进行衰变，而必须通过弱相互作用进行衰变，这将使其寿命比以前观察到的任何奇特强子长几个数量级。

新的Tcc+四夸克是一个诱人的进一步研究目标。它衰变成的粒子都比较容易被探测到，再加上衰变中的少量可用能量，这导致了对其质量的极高精确度，并允许研究这个迷人的粒子的量子数。这反过来又可以为现有的理论模型提供一个严格的测试，甚至有可能允许对以前无法达到的效果进行探测。

夸克的奇异组合

我们知道，夸克是一种基本粒子，是构成物质的基本单元，夸克的不同组合形成了各种复合粒子，比如重子，其中比较有名的就是中子和质子，都包含三个夸克。另外，一个夸克和一个反夸克可以构成一个比较短命的粒子，叫做介子。

除此之外，根据理论预测，夸克还可以组成更多种类的复合粒子。2021年7月，一种由5个夸克构成的新的复合粒子就意外地现身于欧洲的大型强子对撞机，这种粒子叫做“五夸克粒子”。这个重大突破意味着，应该有更多奇特的夸克组合方式正等着我们来发现。

为什么要这么说呢？因为夸克是个古怪的家伙，把夸克结合在一起的强核力很怪异。例如，当夸克之间的距离较小时，强核力会很弱。但如果距离增大，那么强核力就会变强，并把夸克往回拉，所以，夸克从来都不会单独地存在。强核力的另一种怪异的性质，是当夸克处在高能量时，例如在大型强子对撞机里发生碰撞时，强核力反而会变弱。物理学家可以很容易地计算出处在高能量时夸克之间是如何发生相互作用的，但是计算低能量时的情况却是一件困难的事情。到现在，物理学家都还没有搞清楚夸克究竟如何构成重子和介子的，而这些都属于低能量的情况。

对低能量的情况的不了解，导致一些物理学家推测夸克可能会组合成很多种类的复合粒子，比如四夸克粒子和五夸克粒子等等。

抱成团儿的夸克块

上个世纪80年代初期，美国普林斯顿大学的物理学家爱德华·威滕还预言了一种更奇怪的夸克组合。他认为，轻质量的夸克可以和重质量的夸克组合在一起，构成一种新的复合粒子。但不像质子和中子那样，这种新的复合粒子无法成为原子核的一部分。不过，它们可以聚合起来，形成一种质量很大的无特定结构的粒子团。威滕把它们称为“夸克块”。

在普通物质里，原子核之间有着巨大的空隙。而夸克块内部是没有大空隙的，里面是一堆紧紧挤在一起的夸克。这使得夸克块的密度与一颗中子星相当，一勺这样的物质的质量差不多相当于地球上的一座大山。尽管密度很大，物理学家认为夸克块的个头应该是很微小的。一些物理学家把夸克块称为“宏粒子”，这是因为衡量它们的质量需要使用千克或吨这样的质量单位。

而且，宏粒子完全是由一堆夸克构成的，里面没有任何电子以及空隙，所以它们不能够进行聚变，也不会产生光。高密度也使得它们不太可能与入射光发生作用。简而言之，宏粒子密度很大，但个头很小，如果不是完全不见的话，它们也是很难被发现的。

暗物质其实就是夸克块？

当威腾预言出宏粒子的存在时，就有科学家认为，宏粒子很可能就是科学家久寻不着的暗物质，因为暗物质正好是一种无法被发现的物质。

暗物质大约占了宇宙中所有物质的85%，但它既不吸收光线，也不发射光线，我们无法直接看见它们。不过暗物质是有质量的，我们可以通过它们对普通物质的引力作用来间接找到它们。但除了引力之外，暗物质似乎基本不与普通物质发生作用了。

自从20世纪30年代暗物质这个概念提出以来，物理学家就开始不断猜测构成暗物质的候选粒子，例如所谓的“大质量弱相互作用粒子”或“巨兽级弱相互作用粒子”等等、但是它们没有一个被发现。另外超对称理论还预言当前所有已知的基本粒子都有一个质量更大的“超对称伙伴粒子”。这种伙伴粒子也被认为是一种暗物质候选粒子，但同样，也没有发现它们。

那么宏粒子是不是暗物质呢？在这个猜测刚提出之初，物理学家很快就否掉了这个想法，原因有两种。首先，如果宏粒子能变成如恒星那么重的话，那么它们其实就类似于褐矮星或黑洞一样，只不过会更难以察觉。鉴于暗物质特别多，宏粒子的数量肯定要比可见的恒星数量多，那么远处的恒星抵达地球的光线要经常被宏粒子的引力所弯曲（这种现象称为引力透镜效应）。但观察结果表明，大部分引力透镜效应都可以用普通物质来解释。其次，如果宏粒子很轻的话，会分散在宇宙的各个角落，那么低质量会使得它们更容易与自身以及其他物质发生作用，会阻碍星系的形成。

不过，美国凯斯西储大学的物理学家格伦·斯塔克曼最近和同事们在仔细分析后发现，宏粒子不会变得很重，也不会变得很轻，因此就不会经常产生引力透镜效应，也不会变得更容易发生相互作用。这样，宏粒子真的有可能是暗物质粒子。

如果事实真如斯塔克曼所预测的那样，那么所谓暗物质也像普通物质那样是由夸克构成的了，这也意味着暗物质只是普通物质的一种。

宏粒子寻踪记

斯塔克曼和他的同事们开始了寻找宏粒子存在的证据。

他们首先想弄清楚的是，最轻的宏粒子是否已经在以前的实验中就出现过。他们注意到在上个世纪80年代由美国物理学家普莱斯所做过的一个实验。那时，普莱斯觉得大质量弱相互作用粒子穿过地球时，可能会偶尔撞到由他深埋于地下的云母样品上。斯塔克曼相信，宏粒子也可能撞到云母样品上，但他对普莱斯的云母样品进行分析后，没有找到任何有关宏粒子的证据。

于是，他们执行B计划。在上个世纪70年代，研究人员在天空实验室空间站上安装了聚碳酸酯塑料薄膜。如果有粒子穿过塑料薄膜，那么会留下蚀刻的痕迹。当时的研究人员用这个薄膜主要是来寻找宇宙射线中低能量的离子。斯塔克曼认为宏粒子也会在薄膜留下一些痕迹，但是对天空实验室空间站的薄膜重新分析后，也没有找到任何有关宏粒子的证据。

另一个希望则是位于意大利罗马的“鹦鹉螺”实验。“鹦鹉螺”是一个寻找引力波（广义相对论所预言的时空本身的“涟漪”）所设立的实验，实验主要设备是一个2吨重的处于超低温下的铝棒。如果铝棒发生形变，这可能意味着有引力波通过铝棒。斯达克曼和他的同事认为宏粒子穿越铝棒时，可能会与铝发生作用并释放能量，会导致设铝棒被加热并发生微小的变形。但是他们对铝棒分析后，也没有发现宏粒子的任何迹象。

追踪宏粒子的努力仍在继续。斯塔克曼的合作者、来自南非开普敦大学的戴维·雅各布斯打算分析宇宙射线探测器所获得的数据。宇宙射线探测器通常是监视从太空来的质子或轻质量原子核与地球上层大气碰撞时产生的粒子流。如果一个宏粒子与地球大气中的分子发生作用，则会产生一种特别的光信号。

雅各布斯还希望使用海里的水听器——它通常是用来研究鲸鱼或监视非法核武器实验的——可以听到宏粒子穿过大海时产生的振动。

最好的线索可能在月球那里。1972年，当阿波罗计划中最后一批的宇航员离开月球时，他们留下了由4个月震仪所构成的监测系统。月球上虽然经常发生月震，但相对地球来说仍然平静得多。斯塔克曼等人认为，宏粒子穿过月球时会产生独特的震动模式，他们希望能从月震仪所记录的数据中找到宏粒子存在的线索。

不过，月球上的那些月震仪已经相当古老了，如今美国宇航局正计划把更加灵敏的月震仪放到月球上。他们的地震仪十分灵敏，可精确测量到氢原子半径大小的变化——这足以能检测到宏粒子。

一切尚是未定之数

费这么大的力去寻找宏粒子，那么暗物质真的会是宏粒子吗？美国麻省理工学院的物理学家弗兰克·威尔茨克就认为，形成宏粒子所需的能量会比形成普通物质的更少，如果宏粒子真的存在，那么为什么宇宙中还会有如此多的普通物质？

不过许多的物理学家对斯塔克曼的观点表示欢迎。如果他们最终发现了宏粒子，那将会是一个巨大的轰动事件。这还意味着，之前物理学家提出的各种五花八门的暗物质候选粒子，可能都是不存在的。假如果真如此，大型强子对撞机就再也不会发现任何暗物质候选粒子了（因为宏粒子是处于低能量下的夸克构成的）。

物理学家对暗物质的探寻从没有停止过，但是与其不断提高粒子对撞机的能量，我们不如去探寻夸克在低能量时究竟有怎样的表现。最终我们很有可能会发现，那些我们以为已经很熟悉的东西其实可能会变得非常诡异。

（本文源自大科技*科学之谜2021年第1期文章）