解碼夸克科學家有望發現基本粒子新形態

歐洲核子能中心LHCb探測器內部，質子撞擊形成轉瞬即逝的不穩定粒子。

　　在粒子物理學家中間，Sheldon Stone有著高標準和極其真誠的聲譽。他為人所知的一件事情是，在一位同事講話過程中，喊叫著打斷人家的話，指出其中缺乏證據。所以當Stone討論自己和一位同事近期作出的觀察時，他的話應該有一定分量。“我確實認為這有機會成為一項大突破。”他說。

　　Stone的工作涉及一臺巨大的粒子探測器LHCb（大型強子對撞機底夸克實驗），它是由全球最大的原子加速器、位于瑞士歐洲核子中心（CREN）粒子物理實驗室的大型強子加速器（LHC）提供支持的4臺探測器之一。他和同事說，他們已經觀察到了構成原子核的質子和中子的“神秘新表親”。質子和中子由其他叫作夸克的粒子構成，被強大的核子力不可分開地束縛在一起。通過用巨大的能量撞擊粒子的方式，物理學家已經可以生成數千個轉瞬即逝的強子——由夸克構成的粒子。它們可以分成兩類：一種是包括質子和中子在內的重子，它含有3個夸克；另一種是介子，含有兩個夸克。但是去年LHCb研究人員發現了由5個夸克構成的粒子。去年年末，他們確定存在由4個夸克組成的粒子。

　　這種名為五夸克態或四夸克態的粒子生命過程僅有1納秒（十億分之一秒）的千萬億分之一，這些古怪的粒子公然挑釁現存的強核子力圖景——體現在一個叫作量子色動力學（QCD）的復雜理論中。“它們有著改變我們理解QCD的潛力。”美國賓夕法尼亞州匹茲堡大學理論物理學家Eric Swanson說。以色列特拉維夫大學理論學家Marek Karliner則說：“人們其實并不理解現有理論，除非知道什么樣的（夸克）組合是穩定的，什么樣的組合不穩定。”

　　LHCb的觀察還標志著科學史上一次罕見事件的出現—— 一個難以確認的想法再次重現。12年前，多個研究團隊發現一種不同的五夸克態，最終卻認為相關研究結果站不住腳。然而，LHCb的觀察結果似乎讓五夸克態重新復活。“我認為這種粒子的形態是真實的。”Swanson說。

　　復雜的“社會生活”

　　夸克是構成大多數物質的基本成分，它們有著復雜的社會生活。就像把帶負電的電子與原子中帶正電的原子核相結合的電磁力一樣，這種強作用力也需要“充電”。無論正或負，僅有一種電荷；但是卻有3種強電荷，分別標記為紅色、藍色和綠色，每種都有其對立面——反紅、反藍或反綠。在可發生的夸克組合中，顏色電荷疊加會變成無色或是白色。因此，重子包含1個紅色夸克、1個藍色夸克和1個綠色夸克，而紅色、藍色和綠色加起來會變成白色。而兩夸克態的介子則包含1個夸克和1個反色反夸克，例如紅色和反紅色夸克結合后會形成無色的粒子。

　　讓這些混合物種類變得繁雜的是，夸克存在6個類型或是“風味”：普通物質中發現的上、下夸克，而較重的粲夸克以及奇異夸克、頂夸克、底夸克則可以通過粒子撞擊獲得。把各種不同風味的夸克結合在一起就能生成各種粒子，但其中絕大多數是高度不穩定的，或是轉瞬即逝的。比如，一個質子由兩個上夸克和一個下夸克構成；轉瞬即逝的重子（叫作Lb）包含一個上夸克、一個下夸克和一個底夸克。一個介子（叫作K2）包含一個奇異夸克和一個反上夸克。

　　這些粒子的證據全都是間接性的，因為物理學家從來不會觀察到一個獨立的夸克。這種強作用力是如此強大，如果你把一個質子撞擊形成一個夸克，這種力量將會把夸克和反夸克猛拉到真空之外，產生更多重子和介子。此外，在強子內部，有無數“虛擬”的夸克—反夸克對迅速形成然后消逝。夸克會通過交換一種叫作膠子的粒子緊緊附著在一起，它們自己會交換膠子。而這種虛擬夸克和膠子構成的“棕色淤泥”通常構成了絕大多數粒子的質量，使理論預測變得極為棘手。

　　在上世紀70年代了解到QCD之后，物理學家就意識到可能存在由3個以上的夸克構成的粒子簇。而由兩個夸克和兩個反夸克（一個四夸克態）構成的夸克簇或是由4個夸克和一個反夸克（一個五夸克態）構成的夸克簇的顏色疊加結果會形成白色的粒子。“沒有理由說明它們為什么不能存在。”瑞典隆德歐洲散裂中子源（ESS）實驗專家Valentina Santoro說，“如果你確實不能找到它們，你應該說明為什么不能找到。”

　　失敗陰影重重

　　2003年，物理學家認為，他們發現了一個夸克叢：一個叫作q+的五夸克態。該粒子據認為包含兩個上夸克，兩個下夸克以及一個反奇異夸克，該粒子由位于日本兵庫縣的SPring-8加速器實驗室的激光電子—光子（LEPS）探測器發現，該探測器把高能光子射向一個碳靶標。其他9項實驗也報告了這種粒子，據稱該粒子質量是一個質子的1.5倍。

　　然而，隨后q+消失了，其他實驗再也沒有發現它的蹤跡，一些曾發現它的實驗也不能復制該粒子。物理學家至今仍不能確定如此多的研究團隊緣何會發生如此嚴重的錯誤，俄亥俄州立大學物理學家、曾參與相關實驗的Kenneth Hicks說。“這是我參與過的最離奇的研究情況。”Hicks說，“我本人的確參與其中。”

　　其他人則表示，這些實驗結果并不像有些人說的那樣可信。物理學家通過設想q+衰退成由粒子構成的特殊結構來探尋其蹤跡，比如在LEPS實驗中，衰退成一個中子和一個K+介子（一個上夸克和一個反奇異夸克）。科學家對于觀察到的任何一個“中子—K+”粒子對，都會用粒子動量計算其預測的q+母體的質量。如果一些粒子對來自于真實的q+衰退物，那么計算后的質量應該出現峰值，與母粒子一致。但是Stone說，在諸如此類的簡單分析中，研究人員可能會自我蒙蔽。“這些人從來沒做其他的事，只是在觀察粒子對的質量峰值。”他說，“這會讓你對峰值調整產生的波動變得非常脆弱。”

　　q+探測的失敗給尋找四夸克態和五夸克態留下了陰影，麻省理工學院理論物理學家Robert Jaffe說。“人們產生的印象是，該領域透著古怪，相關實驗極不可靠。”他說。

　　即便如此，對此類粒子的好奇與探索依然在繼續。2003年，日本物理學家發現一個類似四夸克態的粒子——含有一個結實的粲夸克，一個反粲夸克以及一個輕夸克—反夸克對。他們將其稱作X。2008年，同樣的實驗——筑波市日本粒子物理實驗室KEK貝爾粒子探測器——發現一個質量更重的明顯的四夸克態Z。在過去幾年中，若干實驗室的物理學家發現大量其他潛在的四夸克態。

　　確定形態真實

　　現在LHCb的研究人員已經確定，貝爾粒子探測器的四夸克態確實存在，并報告觀察到兩個五夸克態的明顯證據——由兩個上夸克、一個下夸克、一個重粲夸克和一個反粲夸克構成。

　　LHCb——由4500噸鐵和高科技電子及發光晶體組合而成——的主要目標是研究含有一個質量較重的底夸克的粒子的衰變，相關行為可以為超出物理學家標準模型的物理學研究提供線索。為了解另一種粒子的衰變“背景”，Stone和同事請一名學生分析一個Lb（由上夸克、下夸克、底夸克組成的粒子）衰變后的殘骸。“這名學生抱怨說不想做這件事。”Stone說，“因為不會發現任何信號。然而他后來卻發現了巨大的信號。”該信號表明，整個新粒子在衰變過程中形成。

　　事實上，研究結果指向兩個質量略有不同的五夸克態—— 一個較重的五夸克態質量相當于一個質子的4.74倍，而輕一些的那個粒子相當于一個質子質量的4.67倍，該團隊去年8月在發表于《物理評論快報》的文章中說。

　　可以說分析結果令人難以琢磨。Stone和同事原本期待Lb首先會衰變成一個J/y（夸克內容：粲夸克和反粲夸克）和一個L（上夸克、下夸克和奇異夸克），隨后L會衰退成一個質子和K2。然而，他們發現，有時Lb似乎會通過另一些路徑到達同樣的目的地，衰退成K2和一個五夸克態。然后，五夸克態會衰變成質子和J/y。兩個五夸克態在質子—J/y對中表現出質量峰值。

　　然而，LHCb研究人員所做的不只是探索衰退粒子對的幾個質量峰值。他們還從數據資料中搜尋有價值的信息，計算出像波浪一樣的量子振幅，用于描述從一個Lb向一個五夸克態和一個K2衰退的過程以及向J/y和質子衰退的過程，并對粒子出現在不同角度、動量和自旋狀態的可能性進行編碼。這種具有里程碑意義的任務需要梳理那些振幅如何與其他粒子混合，形成研究人員期待看到的平行衰變。該分析還清晰地揭示了兩個五夸克態的振幅——這是比質量峰值捕捉更加具體的標志，Stone說。

　　無論如何，至少現在物理學家開始認為，五夸克態和四夸克態是真實的。不過，他們是否能夠了解這些夸克如何組建在一起仍須拭目以待。