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新發現的五夸克粒子,讓我們對物質的認知有了那些提升?

2018年01月30日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 10 ℃ 次

【胡謅的回答(148票)】:

謝邀。

歐洲人啊,總想搞個大新聞,蛤蛤。如果是真的,這確實會成為一個大新聞。個人認為,有可能入選今年的世界「物理學十大進展」。

標準模型(Standard Model)作為當代粒子物理學最成功的模型,預言了一系列粒子,都被實驗一一地發現。隨著希格斯粒子(Higgs boson)被歐洲核子中心發現,標準模型內的所有基本粒子都被發現了。

那麼現在發現的「五夸克態」是否超出了標準模型之外?其實並沒有。「五夸克態」不屬於基本粒子,但它是由夸克組成的,目前來看,它有可能是由一個介子和一個重子耦合而成的「奇異分子態」(exotic molecule)。

簡單來說,介子(Meson)是由一個夸克和一個反夸克組成的夸克對,重子(Baryon)是由三個夸克組成的三夸克態。這個新發現的「五夸克態」可能是介子和重子耦合得到,但也有可能它是由五個夸克直接耦合得到的。不管是哪種可能,它的成分都應該含有五個夸克。

標準模型框架內的夸克模型是允許「奇異態」存在的,通常情況下,夸克要麼是組成「夸克-反夸克」對,例如K介子,π介子等;要麼是組成三夸克態,例如質子和中子等。由於色禁閉,單夸克態是不允許存在的。但是,量子色動力學並不禁止「四夸克態」和「五夸克態」的存在,這麼多年來,高能物理的實驗物理學家一直在各種加速器和對撞機上搜尋這些「奇異態」。

如果這些「奇異態」沒有被發現,說明我們的標準模型以及量子色動力學很有可能是錯誤的。前十幾、二十年根本沒有什麼進展,而近幾年卻頻頻有所發現。這次的「五夸克態」是一個奇異態,它是對量子色動力學的一次正確檢驗,是標準模型的勝利。其實物理學家也喜歡搞大新聞,如果能發現標準模型錯了,我們會更高興,因為這樣我們就能發現新物理,滿足人類對自然界的好奇心,才有工作,有飯吃……

標準模型並非萬能,實際上它不是終極理論,它也有不能解釋的東西,比如暗物質、暗能量是什麼?比如中微子為什麼有質量,而且會振蕩?這些它都沒法解釋。也許我們正處於又一次物理學革命的前夕,就像二十世紀初,量子力學和相對論被發現的前夕。

============ 分割線 ============

我們來通俗易懂地解讀一下LHC的這次發現:arxiv.org/abs/1507.0341

這個「五夸克態」是在研究衰變

時發現的,

是重子,夸克成分是(

);它衰變到

,其中介子

是粲偶素,夸克成分(

);介子

夸克成分是(

);重子

也就是質子,成分(

)。這個衰變的兩個費曼圖如下:

也就是說也就是說

的末態雖然是

,但是它有兩個可能的中間過程:

(a)

(b)

然後實驗發現,

(a)在(a)在

的不變質量譜上,1.5GeV附近觀察到

的峰,這是沒什麼問題的

(b)在

的不變質量譜上,咦,怎麼4.5GeV附近有一個結構?是什麼東西?在已經發現的各種粒子中,沒有哪個粒子的質量是在這附近的啊!啊蛤,新東西,exited!

(b)這顯然是一個新的共振態,很明顯,不是漲落引起的。既然它的末態是

,成分(

),還有

,成分(

)。那麼顯然這個峰的成分是(

),exotic!

LHC把新發現的粒子命名為

,帶一個正電(+),並且含有粲夸克(c)。

我這裡把LHC的分析過程簡略了,實際的研究過程當然沒有這麼簡單,我們看到的不變質量譜包含了很多的本底,需要大量的工作。它用的分析方法是(amplitude analysis),在分析的時候實際使用了兩個Breit-Wigner amplitudes。其中一個的質量是

,寬度是

,自旋是3/2;另一個的質量是

,寬度是

,自旋是5/2。

新發現的

,質量在4.5GeV附近,現在的關鍵是,其他實驗組能否重複LHC的這一發現?一個科學發現能否被承認的關鍵是:是否可重複?

遺憾的是,我國主導的BESIII國際合作組,使用的是北京正負電子對撞機,能區大概在1GeV到4.5GeV,恰好——沒法達到

的質量閾。。。。(參見評論區的意見,要達到能夠產生

的區間,能量要求可能接近6GeV)

所以!中國需要能量更大的加速器!LHC(大型強子對撞機)可能的後繼者(計劃)有哪些? - 知乎用戶的回答

國外除了LHC外,Belle實驗組是可以達到

的質量區間的,希望Belle能夠驗證LHC的結果,我們拭目以待。

PS:四夸克態和五夸克態都是標準模型裡面的奇異態,四夸克態已經被發現了。由中國建設的北京正負電子對撞機(BEPCII),上面運行的探測器叫「北京譜儀」(BES)。

中國的BESIII國際合作組在2013年發現了四夸克態

,這個發現在當年被評為世界十大物理學進展之首。

Physics - Notes from the Editors: Highlights of the Year

北京譜儀國際合作組發現四夸克物質Zc(3900)入選2013年物理學重要成果----中國科學院高能物理研究所

(又PS:來點八卦,BESIII合作組先發現了Zc,日本的Belle合作組隨後證實了這個發現。實際上——是同一個人發現了這個粒子,因為此人既是BESIII的合作成員,又是Belle的合作成員,他機智地把BESIII的結果先發出來了,所以榮譽屬於中國……這個事情一度引起Belle合作組的不滿,然並卵。

Zc發現者的內心獨白:有本事你打我啊,我是中國科學家)

【carrie的回答(0票)】:

名字裡有夸克 就不算什麼革命性發現

標籤:-物理科普 -物質 -粒子物理學 -粒子加速器


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