四叶草与新粒子

更新时间:2024-02-04 作者:用户投稿原创标记本站原创 点赞:31987 浏览:152918

位于瑞士日内瓦欧洲核子研究中心内的大型重子对撞机管道

在自然界,大约几万株三叶草中才会有一株发生变异,长成为四叶草.因为极为稀有,四叶草被人们赋予了很多美好的寓意.在欧洲,发现一株四叶草会被认为是幸运的事情;在日本,找到四叶草的人则会被认为会找到幸福.发现一样稀有事物,往往可以拓展人们的认识领域.2014年4月8日,欧洲核子中心(CERN)发布新闻,在大型重子对撞机(LHC)的LHCb合作项目工作的实验人员在分析之前粒子对撞实验的数据时,意外发现了一种稀有亚原子粒子,这使得欧洲核子中心又成为物理学界的焦点.这种最新被发现的稀有的亚原子粒子,堪称是粒子物理学领域的“四叶草”,它必将大大拓展人们对于亚原子粒子领域的认识.

这种亚原子粒子,目前被命名为Z(4430),“Z”是表明这种亚原子粒子的属性,而4430则是表明它的质量,大约为4430兆电子伏(MeV),这个质量大约相当于一个质子的4倍.Z(4430)粒子的信号最初是由位于日本筑波的BELLE实验探测到,但当时的探测结果并不清晰,研究者们并未确定发现了一种奇异粒子,而这次由LHCb项目所探测到的Z(4430)信号相当清晰,可信度“异乎寻常”的高,已经足以确认这是一种目前还无法归入现有亚原子粒子目录中的新粒子,而且这种奇异的新亚原子粒子的意义还远不止这些.

在原子核的内部世界中,存在着各种亚原子粒子,这些亚原子粒子通过强相互作用发生关系.默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann)在20世纪60年代首先建立了夸克模型(他因此成就获得了1969年诺贝尔物理奖),由此开启了量子色动力学(QCD)的研究,量子色动力学主要描述的正是在原子核内部的亚原子粒子之间通过强相互作用的规则.在一些亚原子粒子中,不仅具有人们熟悉的“电荷”,还具有“色荷”.这种“色荷”被形象描述为三种色彩,而每一个可以独立存在的粒子则必须是“无色”的,这就需要具有不同色荷的亚原子粒子互相搭配才能实现.

在人类已经发现的基本粒子中包含有6种夸克粒子(3种夸克和3种反夸克),夸克粒子带有分数形式的电荷,无法单独存在,它们只能相互结合后形成稳定的粒子.一个夸克加上一个反夸克可以组成介子,而3个夸克则可以组成一个重子.组成原子核的最常见的粒子例如质子和中子都属于重子,分别由不同种类的3个夸克组成,这些组合形式都符合量子色动力学的描述.但是,量子色动力学并没有禁止由4个、5个,甚至更多个夸克所组成的亚原子粒子的存在,那么,自然界到底是否存在由4个、5个,甚至更多的夸克所构成的亚原子粒子?为了回答这个问题,从20世纪60年始,人们就在寻找这种由更多的夸克所组成的奇异粒子.

寻找这种仅存在于理论中的奇异亚原子粒子并不容易.从20世纪60年代以来几十年间都没有收获,因此有人怀疑这种奇异粒子是否真正存在,或者即使真正存在这样的奇异粒子,也有可能性质极为不稳定,转瞬即逝,瞬间就衰变为其他粒子,依靠人类的技术根本无法探测到它的存在.在2008年,主要用于研究电荷宇称不守恒的BELLE实验项目意外地发现Z(4430)粒子存在的迹象.2008年4月8日,BELLE项目在《物理评论快报》(PRL)杂志上发表论文,说明观测到一个信号的峰值,显示有可能发现了一个新的粒子.此后直到LHCb实验以极高的置信度确认发现了这种新粒子,人类才终于意识到,确实存在这种量子色动力学允许存在的奇异亚原子粒子.

2014年4月7日,欧洲核子中心LHCb合作项目的总共700名研究人员共同发表了确认发现Z(4430)奇异粒子的论文的预印本《对于Z(4430)态谐振特性的观察》(ObservationoftheResonantCharacteroftheZ(4430)State),宣布了这个实验结果.LHCb项目实验的本来目的是用来探测反物质的性质,却在无意中以极高的精确度发现了这种新粒子,甚至得知了这个新粒子的一些特性.在LHCb项目工作的科学家们从超过180兆个质子对撞实验中分析了超过2.5万个B介子衰变的数据,从而确认Z(4430)粒子是由一个粲夸克、一个反粲夸克、一个下夸克和一个反上夸克构成,带有负电荷.


Z(4430)奇异粒子的发现可以看作对目前量子色动力学发展的一个肯定,同时也把人们带到了一个夸克-胶子之间相互作用的世界中,这必将使人们对于量子色动力学的理解和研究更加深刻.Z(4430)奇异粒子的发现为人类开启了一扇进入更加奇异世界的大门,人们有理由开始期待发现更多由4个、5个,甚至更多夸克粒子组成的奇异粒子.在这个世界里,描述粒子行为的理论是还在继续发展中的量子色动力学.当然人们也无法忽略做出这些杰出发现的关键——目前人类最大也是最昂贵的机器,大型重子对撞机.在发现了希格斯玻之后,欧洲核子中心的科学家暂时关闭了这个庞然大物,进行升级工程,12个月后,欧洲核子中心的科学家们开始了漫长的重新开启这个机器的过程,预计在2014年末,这个机器将以关闭之前两倍的能量进行粒子对撞实验,物理学家们也只有等到那时,才能重新利用大型重子对撞机制造出更多有关Z(4430)粒子的数据,从而真正开始研究这种亚原子粒子的性质.而到那时,大型重子对撞机的主要实验目的将是以地球上最高的粒子对撞能量来检验超对称理论,人们有理由期待它为物理学研究发现更多的奇迹,也许它将改变人类对宇宙的认识.

诺贝尔物理学奖获得者、美国物理学家默里·盖尔曼