欧核中心发现迄今 “最长寿” 奇异粒子,中国科学家9年前曾给出精准预测 | 专访

郭奉坤、张黎明 / 2021-08-04 20:29:09

欧核中心发现迄今 “最长寿” 奇异粒子,中国科学家9年前曾给出精准预测 | 专访

原创 郭奉坤、张黎明 DeepTech深科技 今天

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据欧洲核子研究中心(CERN)消息,在当地时间 7 月 30 日举办的欧洲物理学会高能物理会议上,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机底夸克(LHCb,Large Hadron Collider beauty)实验团队表示,该小组发现了一种新物质粒子 Tcc+,这是一种 4 夸克粒子,也是一种奇特强子,其还表示这是 “迄今为止最‘长寿’的奇特物质粒子”。




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图 | Tcc+(来源:欧洲核子研究中心)




中国科学院理论物理研究所研究员郭奉坤告诉 DeepTech:“这是一个非常重要的发现,这是人类首次发现包含了两个粲夸克的奇特强子,它的独特的性质将有助于我们理解夸克如何组成强子。”




具体来说,这次 LHCb 实验观测到的包含两个粲夸克和一个反上夸克、一个反下夸克,它的质量特别靠近两个粲介子和的质量之和,显示出它是类似于氘核那样的强子分子态。




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图 | 中国科学院理论物理研究所研究员郭奉坤(来源:受访者)




郭奉坤表示,日常生活中的各种物质均由原子组成,原子由原子核和电子组成的,原子核则由质子和中子组成,而质子和中子则由上夸克和下夸克通过比电磁力强很多倍的强作用力束缚在一起形成的。




然而,强作用力如何将夸克们绑在一起产生包括质子和中子的各种各样的强子,仍然是物理学家们面临的巨大挑战。




图片(来源:Gizmodo 网站)




中国物理学家给出精准预测


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郭奉坤表示,此前理论学家们已经预言了包含两个粲夸克和两个反轻夸克(上、下夸克)的四夸克粒子的存在,他们还就强作用力如何在这些夸克和反夸克之间发生作用提出了不同的模型,并给出了不同的预测。




其中,北京大学物理学院教授朱世琳课题组与兰州大学刘翔课题组曾精准预测了欧核中心的本次发现。他告诉 DeepTech,这次 LHCb 实验测量距离其课题组的理论预测长达九年之久。据悉,该课题组长期从事非微扰强相互作用研究,十多年前认识到低能强相互作用具有普适性,都是由量子色动力学的手征对称性和它的自发破缺主导的。




基于此,朱世琳课题组在 2011 年预言了包含一对正反粲夸克的五夸克态,并于 2015 年被 LHCb 的实验证实。2012 年,该课题组深入分析了 X(3872)体系后,很自然地把相同的理论框架,推广处理包含双重味四夸克分子态,并预测了一个很浅的束缚态,结合能大约 470keV,最近已被 LHCb 实验证实。




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图 | 北京大学物理学院教授朱世琳(来源:受访者)




谈及此次预测成功,朱世琳表示:“说实在的,当 LHCb 实验组公布实验结果的时候,我非常震惊,我们的理论预言与实验测量符合得太好了。非常感谢我们课题组成员李宁、孙志峰、刘翔以及其他成员,他们在整个研究过程中起了非常关键的作用,我只是‘指手画脚’告诉他们做啥怎么做。也非常感谢欧核中心 LHCb 实验组。物理学是实验科学,课题组的理论工作能够被大实验组证实,让我觉得有点小小的成就感,觉得这辈子没有完全虚度,觉得没有完全浪费基金委和北大的大力支持。”




具体来说,这次 LHCb 实验观测到的包含两个粲夸克和一个反上夸克、一个反下夸克,它的质量特别靠近两个粲介子和的质量之和,显示出它是类似于氘核那样的强子分子态。




清华大学工程物理系副研究员张黎明,本身也是 LHCb 组成员,曾先后参加了日本高能所 KEK Belle 、美国 CLEO-c 和欧洲 LHCb 国际合作实验。他告诉 DeepTech:“这次发现的是两个粲夸克在一起,总的粲夸克数是 2,是之前从来没有看到的一类四夸克粒子。”




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图 | 清华大学工程物理系副研究员张黎明(来源:受访者)




关于寿命,张黎明表示:“在 LHCb 实验组公开的报告中,实际所报告的特性是这次新发现的强子态的宽度小于 1 个兆电子伏,窄于实验上所发现的绝大部分奇特强子,中心质量低于衰变末态的质量之和。根据不确定性原理,宽度窄意味着具有较长的寿命。”




郭奉坤则对寿命做了如下补充:“与其他可通过强作用力发生衰变的粒子相比,寿命长意味着它比较稳定。这是因为它的质量仅仅比它能衰变过去的粒子的质量之和大一点点。而‘此次发现的四夸克粒子是迄今为止发现的寿命最长的奇异物质粒子’这一说法并不确切。一些此前发现的、可能是奇特态的粒子的寿命也很长,以至于目前只能测量到它们寿命的下限。”




但在这种情况下,“寿命长”仅仅是相对别的类似粒子来说的,用人类日常生活中的时间尺度来衡量的话,其实短得很,它们的寿命可能只比十万亿亿分之一秒长一点。




双粲粒子在高能物理中具有 “迷人吸引力”


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科学家认为,宇宙中存在6味夸克,它们分别叫上、下、粲、奇异、底和顶,每种夸克均有专属的反物质,即反夸克。




关于其中的粲,张黎明告诉 DeepTech,“double-charm” 中文翻译叫 “双粲”,名字里包含这一词汇的粒子,在高能物理的研究当中往往有着其特有的迷人吸引力。




粲夸克,在已知的 6 味夸克当中质量排行第三,且属于重味夸克的一种,在实验上的产生相对较为困难。




根据质子 - 质子对撞的特点,如果要产生一个双粲粒子,需要在对撞中同时产生两对正反粲夸克对,也就是一共 4 个重味夸克:这一类过程在实验上相当稀有。




而本次发现的新强子的稀有程度不止于此,它是实验上首次观测到的包含双粲结构的、且由至少 4 个夸克组成的一类奇特强子。此前发现的 4 夸克粒子大多都是含有粲夸克和反粲夸克在一起,总的粲夸克数是 0、或者只有 1 个粲夸克。




有望为寻找新的奇特强子指明方向


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对于该研究的意义,张黎明表示,2017 年,人类在实验上首次发现双粲重子,并入选当年中国科学十大进展。双粲重子和之前实验上所发现的许多重子态一起构成了一副夸克模型所预言的强子拼图。




张黎明继续分析称:“我们也非常期待,这次所发现的双粲奇特强子是否能作为一个引子,和之前实验上所观测到的大量奇特强子一同搭建起一副漂亮的奇特强子谱,并帮助我们为寻找新的奇特强子指明方向,而这便是本次发现对强子的谱学研究的启示。此外,通过对这一新发现强子态的产生特性的研究,也有助于我们增进对质子 - 质子碰撞中强相互作用的进一步理解。”




郭奉坤补充称,相信随着数据的积累,LHCb 等实验会发现更多的类似粒子,从而有助于物理学家建立起一个系统的、有规律的强子谱,并对理解目前强作用力的最大难题 --- 色禁闭有所帮助。




参考:


 Phys.Rev. D 88,114008 (2013)




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尼米兹Less is More🎨

I am interested in the double-charm pretty much ~~ 

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