科学家同时发现2种新亚原子粒子:均含3夸克

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2014-11-30

　　新浪科技讯北京时间21日消息，据国外媒体报道，位于日内瓦欧洲核子研究中心(CERN)的科学家近日宣布，在利用大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)进行质子撞击时，他们发现了两种新的亚原子颗粒。

　　这两种新粒子分别名为“Xi_b'-”和“Xi_b*-”，在之前的研究中已经被预测存在，但一直没有被观察到。科学家希望两种新粒子的发现能够超越现有的物理学模型，为了解宇宙如何运作提供更多线索。

　　这两种新粒子是通过在大型强子对撞机长达27公里的管道(主要为大型强子对撞机底夸克实验，为LHC上的六个探测器之一)中发射质子而产生的。这些质子以99.9999%的光速相互撞击，模拟了宇宙大爆炸时的条件。

　　质子碰撞时，会释放出巨大的能量，一些前所未见的粒子也会产生，并只有在转瞬即逝间才能被探测到。在欧洲核子研究中心，发现新的粒子并不是稀罕事。据荷兰国家核物理研究院(NIKHEF)的帕特里克·科本伯格(Patrick Koppenburg)博士介绍，每年都会有三到五种新粒子被发现。不过他补充道：“我们这次一下子获得了两种新粒子，这十分了不起。”

　　据悉，此次发现的两种新粒子均为重子，由较小的、称为夸克的亚原子粒子组成。夸克是已知最小的粒子，是组成其他粒子的基础，被称为基本粒子。科学家发现了6种不同类型的夸克，把它们进行不同的组合就可以产生较大的粒子。重子包括几种最大的亚原子粒子，如质子和中子——二者组成了宇宙中大部分的可见物质。

　　在质子和中子永远存在于现代宇宙的同时，其他粒子已经迅速衰减，更加难以发现。在过去几年中，欧洲核子研究中心的科学家所寻找的正是这些粒子。他们将各种粒子以接近光速进行撞击，模拟宇宙大爆炸时的条件。

　　通过模拟宇宙的“原生汤”，科学家创造出了一些在宇宙大爆炸时出现，但现在已经不存在的粒子。打个比方，好比把一个苹果和一个梨以光速相互撞击，我们会看到一个草莓突然出现，而它存在的时间只有极其短暂的一瞬。

　　在这项最新研究中，两个新粒子均由一个“奇”，一个“下”和一个“底”夸克组成。新粒子还各有自己的自旋特性，这基本解释了它们与磁场的相互作用。

　　科学家发现，Xi_b*-粒子中较轻的奇夸克和下夸克的自旋方向是相同的，而在Xi_b'-粒子中，奇夸克和下夸克的自旋方向是相反的，这导致Xi_b*-粒子稍微更重一些。

　　科学家将这两种粒子的发现视为物理学上的重要一刻，感到很受鼓舞。它们将为在亚原子水平上更深入了解宇宙提供线索。来自法国国家科学研究中心(CNRS)高能物理实验室(LPNHE，位于巴黎第六大学)的马修·查尔斯(Matthew Charles)说：“自然是仁慈的，让我们一次就获得了两种粒子。Xi_b'-在质量上非常接近它的衰变产物之和，如果它质量更轻一些，我们就无法利用衰变痕迹发现它了。”

　　纽约雪城大学的史蒂芬·布拉斯克(Steven Blusk)博士补充道：“这是非常令人激动的成果。感谢LHCb出色的粒子探测能力，这在LHC的探测器中是独一无二的。我们也得以从背景中获得非常清晰和强烈的信号。这再一次显示了LHCb探测器的灵敏度和精确度。”

　　除了计算出这些粒子的质量，科学家还发现它们的极度不稳定性。这些结果都与基于量子色动力学(Quantum Chromodynamics，QCD)的预测相符。量子色动力学是粒子物理学标准模型的一部分，该理论描述了物质的基本粒子之间的相互作用，以及它们之间的力。以极高的精确度对量子色动力学进行检验，是完善我们对夸克动力学认识的关键所在。目前有关夸克动力学的模型非常难以计算。

　　“如果我们希望发现超越标准模型的物理学，首先就需要足够清晰的观测手段，”科本伯格博士说，“有了如此高清晰度的研究，我们将有可能区分出标准模型效应与未来出现的其他任何新的、意想不到的物理学现象。”

　　此次研究所采用的是2011年到2012年大型强子对撞机所采集的数据。在经历了第一次长时间关停之后，大型强子对撞机目前正在准备以更高的能量和更强烈的光束进行实验。2015年春季，这一世界上最大的粒子加速器设施将重新启动。(任天)

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