奇異強(qiáng)子

迄今為止，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了80種粒子。除了著名的希格斯玻色子之外，其余的粒子都是強(qiáng)子。

1964年，蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）各自相互獨(dú)立地提出：強(qiáng)子（如質(zhì)子和中子）并不是基本不可分的，而是由更基本的粒子——夸克組成。

由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克構(gòu)成的粒子被稱為介子，由三個(gè)夸克構(gòu)成的粒子被稱為重子。根據(jù)蓋爾曼和茨威格的預(yù)測(cè)，除了常見的二夸克和三夸克之外，強(qiáng)子家族還包含由四個(gè)或五個(gè)夸克組成的“奇異態(tài)”——這正是LHC最令人驚嘆的發(fā)現(xiàn)之一，它證實(shí)了由四個(gè)或五個(gè)夸克構(gòu)成的奇異強(qiáng)子的存在。然而，物理學(xué)家仍然不確定這些奇異強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是什么樣的。

一些模型認(rèn)為它們是緊密結(jié)合的四夸克或五夸克態(tài)，一些模型則將它們視為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)子之間的松散束縛態(tài)，還有一些模型認(rèn)為它們可能同時(shí)具有這兩種特征。

四夸克的結(jié)構(gòu)：左邊顯示的是四個(gè)夸克在強(qiáng)力的作用下束縛成一個(gè)整體；右邊顯示的是夸克兩兩配對(duì)形成兩個(gè)介子，再通過核力松散束縛在一起。（圖片素材/Nature）

在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，LHC的緊湊渺子線圈（CMS）合作組首次對(duì)三個(gè)全部由粲夸克組成的四夸克進(jìn)行了量子數(shù)測(cè)量，揭示的結(jié)果更傾向于它們是緊密結(jié)合的四夸克態(tài)這一解釋。

測(cè)量全粲四夸克的量子數(shù)

夸克共有六種類型：上、下、粲、奇、頂、底。到目前為止，在LHC和其他對(duì)撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)的四夸克和五夸克態(tài)，通常都包含一個(gè)粲夸克及其對(duì)應(yīng)的反粲夸克，其余的兩到三個(gè)夸克一般是上、下或奇夸克（及它們的反夸克）。但近年來，科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了其他類型的組合。尋找并研究這些不同類型的四夸克與五夸克態(tài)，有助于物理學(xué)家更好地理解強(qiáng)力是如何把夸克束縛在一起的。

在2020到2024年間，LHC的三個(gè)不同實(shí)驗(yàn)先后觀測(cè)到了全部由粲夸克組成的四夸克態(tài)。這些“全粲”四夸克是由兩個(gè)粲夸克與兩個(gè)粲反夸克構(gòu)成，它們是在高能質(zhì)子束對(duì)撞中產(chǎn)生的。相比由較輕夸克組成的同類粒子，“全粲四夸克”提供了一個(gè)更極端、但在理論上更易于控制的研究平臺(tái)，用于理解強(qiáng)力。

目前，在LHC觀測(cè)到的三個(gè)具有不同能量特征的全粲四夸克態(tài)，分別被命名為：X(6900)、X(6600)和X(7100)，括號(hào)中的數(shù)字表示它們的大致質(zhì)量，單位MeV。其中，質(zhì)量排名第二的X(6900)最早由LHCb合作組于2020年發(fā)現(xiàn)，隨后ATLAS與CMS合作組也分別獨(dú)立確認(rèn)了它的存在。另外兩個(gè)則是由CMS實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。

為了探測(cè)這些全粲四夸克的結(jié)構(gòu)量子性質(zhì)，研究團(tuán)隊(duì)分析了CMS在第二次運(yùn)行期間（2016–2018年）收集的數(shù)據(jù)。通過研究每個(gè)X粒子衰變?yōu)閮蓚€(gè)J/ψ粒子（J/ψ 由一個(gè)粲夸克–反粲夸克對(duì)組成），而每個(gè)J/ψ又進(jìn)一步衰變?yōu)閮蓚€(gè)μ子，研究人員測(cè)量了三種量子數(shù)：

• 宇稱（

  P

  ）：決定一個(gè)粒子是否與其空間鏡像具有相同的性質(zhì)；

• 電荷共軛（

  C

  ）：描述粒子是否與其對(duì)應(yīng)的反粒子具有相同的性質(zhì)；

• 總角動(dòng)量（

  J

  ）：表示強(qiáng)子的總角動(dòng)量。

對(duì)于這三種四夸克態(tài)，他們的結(jié)果顯示：

• P

• C

• J

  = 2

這一結(jié)果雖然未排除任何一種結(jié)構(gòu)模型，但更支持緊密結(jié)合的四夸克態(tài)的解釋，同時(shí)也與先前理論計(jì)算一致。

奇異態(tài)的未來研究

夸克是標(biāo)準(zhǔn)模型的核心組成，標(biāo)準(zhǔn)模型是描述了基本粒子及其相互作用的理論。在此基礎(chǔ)上研究奇異強(qiáng)子，有望加深物理學(xué)家對(duì)強(qiáng)力的理解。反過來，這些知識(shí)不僅可以幫助解釋強(qiáng)子是如何在大爆炸后的數(shù)微秒內(nèi)形成的，也有助于改進(jìn)中子星結(jié)構(gòu)模型，甚至能夠?yàn)槲锢韺W(xué)家尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理現(xiàn)象提供新的洞見。

隨著現(xiàn)有粒子加速器和相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的升級(jí)、探測(cè)器性能提升、碰撞次數(shù)增加，未來將有望觀測(cè)到更多奇異態(tài)。此外，一些正在設(shè)計(jì)中的新設(shè)備將被專門用于產(chǎn)生奇異粒子，屆時(shí)，它們不僅能改進(jìn)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法，還將探索產(chǎn)生奇異強(qiáng)子的全新途徑。

憑借下一代實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)家希望能探測(cè)到那些已經(jīng)被理論預(yù)測(cè)，但仍未被發(fā)現(xiàn)的奇異強(qiáng)子，并發(fā)展出更多能夠解析其結(jié)構(gòu)的新方法。

#參考來源：

https://home.cern/news/news/physics/deciphering-heavyweights-tetraquark-world

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09711-7

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03591-7

#圖片來源：

封面圖&首圖：CERN