科學家發現新的異類物質粒子:四夸克

今天,歐洲核子研究中心的LHCb實驗在歐洲物理學會高能物理會議(EPS-HEP)上提出了一個新發現。LHCb發現的新粒子被標記為Tcc+,是一個四夸克–一個包含兩個夸克和兩個反夸克的異域強子。它是迄今為止發現的壽命最長的異類物質粒子,也是第一個包含兩個重夸克和兩個輕反夸克的粒子。

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藝術家對Tcc+的印象,一個由兩個粲夸克和一個向上和向下的反夸克組成的四夸克。資料來源:歐洲核子研究中心

夸克是構成物質的基本組成部分。它們結合起來形成強子,即重子,如質子和中子,由三個夸克組成,以及介子,由夸克-反夸克對形成。近年來,已經發現了一些所謂的異類強子–具有四個或五個夸克的粒子,而不是傳統的兩個或三個。今天的發現是一個特別獨特的異域強子。這種新粒子包含兩個魅力夸克以及一個向上和一個向下的反夸克。

近年來已經發現了幾個四夸克(包括一個有兩個粲夸克和兩個粲反夸克的四夸克),但這是第一個包含兩個粲夸克的粒子,沒有粲反夸克來平衡它們。物理學家將其稱為 “開放的魅力”(在這種情況下,是 “雙開放的魅力”)。含有一個魅力夸克和一個魅力反夸克的粒子具有 “隱藏的魅力”,讓整個粒子的魅力量子數加起來為零,就像一個正電荷和一個負電荷一樣。在這裡,魅力量子數加起來是2,所以它有兩倍的魅力!

Tcc+的夸克含量,除了是開放的魅力之外,還有其他有趣的特徵。它是第一個被發現的屬於有兩個重夸克和兩個輕反夸克的四夸克類的粒子。這種粒子通過轉化為一對介子而衰變,每個介子由一個重夸克和一個輕反夸克組成。根據一些理論預測,這種類型的四夸克的質量應該非常接近於兩個介子的質量之和。這種質量上的接近使得衰變變得 “困難”,導致粒子的壽命更長,而事實上Tcc+是迄今為止發現的壽命最長的異類強子。

這一發現為尋找更重的同類型粒子鋪平了道路,其中一個或兩個粲夸克被底夸克取代。具有兩個底夸克的粒子特別有趣:根據計算,其質量應該小於任何一對B介子的質量之和。這將使衰變不僅不太可能:該粒子將不能通過強相互作用進行衰變,而必須通過弱相互作用進行衰變,這將使其壽命比以前觀察到的任何異類強子長几個數量級。

新的Tcc+四夸克是一個誘人的進一步研究目標。它衰變成的粒子都比較容易被探測到,再加上衰變中的少量可用能量,這導致了對其質量的極高精確度。這反過來又可以為現有的理論模型提供一個嚴格的測試,甚至有可能允許對以前無法達到的效果進行探測。