“圣杯”强子:科学家们已经接近检测难以捉摸的四夸克粒子了

来源:天上的彩霞 2018-09-08 13:48:29

“圣杯”强子科学家们已经接近检测难以捉摸的四夸克粒子了

抽象艺术家的插图显示了高能强子碰撞。

Flit,zip,jitter,boom。在科学家们第一次开始怀疑这些粒子存在的53年后,夸克,即构成宇宙中有形物的微小粒子,对于物理学家来说仍然是非常神秘的。它们在科学仪器的敏感性边缘徘徊,在较大的颗粒内被捕获,并且在一束光穿过一粒盐的一半时间内从较高的形式衰变成最简单的形状。小家伙们不会轻易放弃他们的秘密。这就是为什么物理学家用五十多年的时间来证实自夸克科学开始以来他们一直在寻找的奇异粒子的存在:大规模(至少在亚原子粒子方面),难以捉摸的四夸克。

特拉维夫大学的物理学家Marek Karliner和芝加哥大学的Jonathan Rosner证实,奇怪的,大质量的四夸克可以以最纯净,最真实的形式存在:四个粒子,在一个更大的粒子内相互作用,没有障碍让他们分开。他们发现,它很稳定,很可能是在瑞士欧洲核子研究中心粒子物理实验室的大型强子对撞机(大型强子对撞机)中产生的,他们在一篇即将出版的期刊“物理评论快报”上发表的论文中报道。

坚持 - 夸克是夸克?

如果你对粒子物理学有一点了解,你可能知道质量的所有东西都是由原子组成的。深入研究粒子物理将揭示这些原子是由亚原子粒子组成的 - 质子,中子和电子。更深刻的外观将揭示夸克。

中子和质子是一类被称为强子的粒子的最常见的例子。如果你能看到一个强子,你会发现它由更基本的粒子组成,紧紧地粘在一起。那些是夸克。

像原子一样,取决于原子核中质子和中子的组合,它们采用不同的性质,强子从它们的常驻夸克的组合中得到它们的性质。一个质子?那是两个“向上”的夸克和一个“向下”的夸克。中子?它们由两个“向下”夸克和一个“向上”夸克组成。

(电子不是由夸克构成的,因为它们不是强子 - 它们是轻子,是夸克的一类远古表兄弟的一部分。)“向上”和“向下”是夸克最常见的口味,但它们只是六分之二。另外四个 - “魅力”,“顶部”,“奇怪”和“底部”夸克 - 存在于大爆炸之后的瞬间,它们出现在极端情况下,例如在粒子碰撞器中的高速碰撞期间。但它们比上下夸克更重,而且它们在创造的瞬间就会腐烂到他们较轻的兄弟姐妹身上。

但是那些较重的夸克可以持续很长时间,可以绑定成具有不寻常特性的奇怪强子,这些特性在夸克的极短生命周期内保持稳定。一些很好的例子:“双重魅力的重子”,或者是由两个魅力夸克和一个较轻的夸克组成的强子;它的堂兄是由一个强子组成的两个庞大的底夸克和一个较轻的夸克融合在一起,比氢弹内的单个聚变反应更加强大。(值得注意的是,由于重夸克的寿命很短,底夸克融合在军事上是无用的。)

玩颜色

“多年来一直怀疑[四夸克]是不可能的,”Karliner说。那是因为物理定律表明四个夸克实际上并不能合并成一个稳定的强子。原因如下:就像在原子中,带正电的质子和带负电的电子之间的吸引力将它们组合在一起,强子也被力量结合在一起。在原子中,正粒子和负粒子不断地试图将它们的电荷中和到零,因此质子和电子粘在一起,相互抵消。

夸克具有正电荷和负电荷,但它们也通过更强大的“强”力相互作用。而强大的力量也有收费,称为彩色电荷:红色,绿色和蓝色。任何夸克都可以有任何颜色。当他们绑在一起形成强子时,所有这些指控都必须取消。例如,红色夸克必须与绿色夸克和蓝色夸克或其反物质双胞胎相连 - 一个“反夸克”,颜色为“反对”。(这是你对量子力学的大脑。)颜色和它的防眩色或所有三种颜色的任何组合,粘在一起都有中性色电荷。物理学家称这些粒子为“白色”。

四夸克:这就像一种关系(因为它并不总是有效)

所以,Karliner说,不难想象一个四夸克强子:只需将两个夸克加到两个匹配的反夸克上。但是,仅仅因为你将四个匹配的夸克粘在一起,他说,并不意味着它们足够稳定以形成一个真正的强子 - 它们可以分开。“仅仅因为你将两男两女搬进了公寓,”卡琳琳说,“并不意味着他们会安定下来,形成一个核心家庭。”夸克具有质量,物理学家以能量单位测量:兆电子伏特或MeV。当它们结合在一起时,一些质量转化为结合能将它们保持在一起,也用MeV测量。(还记得爱因斯坦的E = mc ^ 2吗?那能量等于质量倍 - 光速平方,即控制转换的等式。)

如果质量与结合力相比太高,则在强子内部周围的夸克的能量将使粒子撕裂。如果它足够低,粒子将活得足够长,以便夸克能够在它们衰变之前稳定下来并形成团体属性。根据Karliner的说法,一个庞大,快乐的夸克四人家族需要将质量低于两个介子(或夸克 - 反夸克对)粘在一起。不幸的是,夸克族的质量在其一部分体积转化为约束力后难以计算,这使得很难弄清楚给定的理论粒子是否稳定。

科学家已经知道大约十年,介子可以与其他介子结合形成特殊的四夸克,这就是为什么你可能已经看到过以前宣称存在四夸克的报道。但在那些四夸克中,每个夸克主要与它的对相互作用。在真正的四夸克中,所有四个都会相互混合。“这很有趣,但不一样,”Karliner说。“在不同的房间里有两对情侣共用一套公寓,两个男人和两个女人都和所有人在一起......与其他人互动,这是非常不同的。”但他说,那些双介子四夸克提供了真正的四夸克必须穿过才能保持稳定的质量阈值。

在干草堆的一根针

理论上,Karliner说,有可能通过纯计算来预测稳定四夸克的存在。但是所涉及的量子力学实在太难以在任何合理程度的信心下完成工作。Karliner和Rosner的关键见解是,你可以开始通过类比已经测量的更常见的强子来计算稀有强子的质量和结合能。还记得早些时候的双重魅力重子吗?还有两个底夸克的表亲?2013年,Karliner和Rosner开始怀疑他们能够计算出它的质量,仔细考虑了由夸克夸克和反对夸克组成的介子中的结合能。

量子力学表明,两种不同颜色的魅力夸克 - 比如红色魅力和绿色魅力 - 应该与魅力夸克及其反物质双胞胎的能量正好结合在一起 - 比如,红色魅力夸克和反对魅力反夸克。科学家已经测量了这种键的能量,因此acharm-charm键的能量应该是其中的一半。

因此,Karliner和Rosner使用这些数字,他们发现双重魅力的重子和双底重子的质量应为3627 MeV,正负12 MeV。他们发表了他们的论文,并推动CERN(欧洲核子研究组织)的实验主义者开始狩猎,Karliner说。

但是,卡琳琳和罗斯纳为欧洲核子研究中心提供了路线图,最终,欧洲核子研究中心的科学家们加入了这一路2017年7月,大型强子对撞机(LHC)中出现了第一个明确的双重魅力重子。[照片:世界上最大的原子粉碎机(LHC)]“实验主义者起初非常持怀疑态度”,有可能在现实世界中找到双重魅力的重子,Karliner说。“这就像寻找一个不在大海捞针中的针,而是在大海捞针堆中。”

“我们在2014年预测,这个双重魅力的重子的质量将达到3,627 MeV,给予或采取12 MeV,”Karliner说。“大型强子对撞机的测量值为3,621 MeV,给予或消耗1 MeV。”换句话说,他们钉了它。由于他们的计算结果是正确的,因此Karliner和Rosner得到了真正稳定四夸克的路线图。

一个又大又胖的幸福家庭

在量子力学中,Karliner解释说,有一个普遍的规则,即较重的夸克倾向于比较轻的夸克更紧密地结合在一起。因此,如果你要找到一个稳定的四夸克,它可能会涉及一些来自味道谱较重的夸克。一旦双重迷人的重子测量结果公布,Karliner和Rosner就开始工作了。首先,他们计算了由两个魅力夸克和两个较轻的反夸克组成的四夸克的质量; 毕竟,魅力夸克非常厚实,大约是质子质量的1.5倍。结果?一个双重迷恋的四夸克证明是在稳定和不稳定的边缘,双方都有错误的余地 - 换句话说,太不确定无法称之为发现。

但魅力夸克不是最重的夸克。进入底夸克,一个基本粒子的真正怪物,大约是其迷人兄弟的质量的3.5倍,伴随着结合能量的飞跃。将其中两个融合在一起,Karliner和Rosner计算,以及一个向上的反夸克和一个向下的反夸克,你将最终得到一个稳定的四人组 - 将它们的大部分转化为结合能量,最终在最大值下达到215 MeV质量阈值,误差范围仅为12 MeV。“所有这一切的结果是我们现在对这个物体的质量进行了强有力的预测,这是理论物理学这一分支的圣杯,”Karliner说。

这种四夸克一旦形成就不会存活很久;它只在十分之一皮秒后眨眼,或者光束穿过单个微观皮肤细胞所需的时间长度。然后它会衰变成上下夸克的简单组合。但是0.1皮秒(一万亿分之一秒)在量子力学尺度上足够长,被认为是一个稳定的粒子。“就像你把人的一生都与[大陆的运动]进行比较一样,”Karliner说。“如果你有一些生物在几分之一秒内生活,那么人的一生似乎几乎是无限的。”

前往瑞士

下一步,一旦理论家预测到一个粒子,就是让欧洲核子研究中心的实验主义者试图在它们的粒子破碎机LHC的长英里管中创造它。这可能是一个艰苦的过程,特别是因为底夸克的特殊属性。大型强子对撞机的工作原理是将质子以大部分光速撞击在一起,向对撞机释放足够的能量,使其中的一部分变回质量。而那些质量的一小部分会凝聚成稀有形式的物质 - 就像那双倍被迷住的重子一样。

但是粒子越重,它在大型强子对撞机中的可能性就越低。底夸克是极不可能的创作。Karliner说,为了建立一个四夸克,大型强子对撞机必须产生两个底部夸克,它们彼此足够接近,然后用两个轻的反夸克“装饰”它们。然后它必须再次,并再次 - 直到它发生足够多次,研究人员可以确定他们的结果。但这并不像听起来那么不可能。

“事实证明,如果你考虑如何在实验室中制造这样的东西,”Karliner说,“制造它们的可能性比发现具有两个底夸克和一个轻夸克的重子的可能性略小。”那场狩猎已经在进行中。一旦发现了双底夸克重子,Karliner说 - 他预计在接下来的几年里会有一个结果 - “时钟开始在四夸克的外观上滴答作响”。

在以太的某个地方是物理学家一直在寻找53年的强子。但现在他们已经闻到了它的气味。

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