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再次刷新人类对物质的认知，四夸克组成的新粒子首次“现身”

科技 08-31 来源：

出品：科普中国

制作：花明

监制：中国科学院计算机网络信息中心

七月初，欧洲核子研究中心（CERN）发布新闻会，宣布大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）发现一种由4个粲夸克组成的新粒子——X（6900）。

这也是首次发现四个同种夸克的“蜗居”。粲夸克是什么？为什么四个夸克住在一起也能成为大新闻？要解答这个问题，还要从夸克说起。

△图片来源：自制

什么是夸克？

夸克是一种参与强相互作用的基本粒子，是构成物质的基本单元。在夸克发现之前，化学家可以将物质分到原子层级，由此确定了美丽昂贵的钻石和黑乎乎的铅笔芯其实是亲兄弟，因为它们的主要成分都是碳原子。

化学家把物质分到原子就分不下去了，但是，物理学家还能分。物理学家们发现，原子是由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，而质子和中子则由夸克组成。夸克也是目前我们认识到的最小粒子，不能再分了。

△图片来源：自制

你能想象到夸克有多小吗？

把一根头发撕成50万根，每根的粗细和一个碳原子的大小相当。而夸克跟原子比起来，差不多就只是大象身上的一只蚂蚁。可以说，微观世界小到超出我们的想象。即便如此，物理学家们还是要对它们进行研究，为了方便研究描述，物理学家借助自己的想象力构建了夸克的物理模型。

根据物理学标准模型，夸克有六种，分别是上（up）、下（down）、奇（strange）、粲（charm）、底（bottom）及顶（top），每种夸克还都会有个双胞胎——反夸克粒子，比如c夸克的反粒子为

你可以把它们想象成六个口味的夸克冰激凌球。事实上，正是盖尔曼和弗里奇在冰激凌店聊天时，受到不同口味的冰激凌启发，才想到引入“味道”来区分不同的夸克。

△图片来源：自制

尽管夸克已经小到我们不能想象，但是它们之间还是有轻重之分的。上夸克和下夸克质量最小也最稳定，是我们地球上最常见的夸克。奇夸克和粲夸克较重但很短命，昙花一现后就变成轻夸克了。宇宙线中还可以探测到奇夸克的踪迹，而粲夸克和更重的底夸克、顶夸克就只能在高能实验中一觅芳踪了。

夸克的发现史

科学家们在发现电子（1897年）、质子（1918年）、中子（1942年）这些基本粒子后，在1947年发现了第一个介子——带负电的π介子。接着在宇宙射线中和高能加速器实验中发现一些不稳定且表现很奇异的粒子，这也拉开了夸克发现的序幕。

“夸克之父”盖尔曼，先是引入“奇异数”去解释那些表现奇异的粒子，后来又提出“夸克模型”的设想，即用三种基本夸克，u、d、s夸克来解释当时所发现的各种粒子。

△图片来源：自制

1974年，在美国布鲁克海文国家实验室，丁肇中领导的实验组发现了一种新粒子，命名为J粒子。同时斯坦福的里克特(Burton Richter)领导的实验组也发现了一种新粒子，命名为ψ粒子。当年11月11日，两位大佬碰面才发现：J粒子和ψ粒子其实是一种粒子。他们共同发现了第四种夸克，粲（c）夸克的新粒子——

介子，他们两位并因此获得了1976年诺贝尔物理学奖。

1977年，美国费米实验室紧接着发现了更重的粒子，给出了b夸克存在的证据。经过十几年物理科学家们的“通缉抓捕”，1995年美国费米实验室宣布找到最后一个t夸克存在的证据。最终，6种夸克在实验上都被“缉拿归案”了。

夸克的“蜗居”生活

虽然夸克很小，但是它却不被允许享受“单间”的独居生活。实验中都是通过发现含有不同夸克的粒子来确认这些夸克的存在，这说明这些夸克都是结伴出现的。同时实验还发现，夸克的 “蜗居”很有规律，它们总是成双或成三组队，两个正反夸克住一个“介子双人间”，三个夸克住一个“重子三人间”，或者三个反夸克住一个“反重子三人间”。原子核里面的质子和中子都属于重子。

△图片来源：自制

虽然基本粒子标准模型的法律条例，没有对一个“粒子宿舍”能住几个夸克进行限制，但物理学家能抓住的不是“介子双人间”就是“重子三人间”。既然没有禁止“多人混居宿舍”，那么会不会有四个、五个或者更多夸克的“混居间”呢？

在探索新粒子信号的过程中，物理学家还真的发现了“混居间”的存在。2003年，日本KEK实验室发现了X（3872）第一个“四夸克混居间”信号，紧接着世界各大高能物理实验室发现了一批含有一对正反重夸克的X、Y、Z奇特粒子的“四夸克混居间”信号。在实验上可以重复发现的这些“峰”虽然信号明确，但更具体的信息还不是很清楚，比如X（3872）里面居住的四个夸克种类还没法确定，这也吸引了许多理论科学家来继续进行研究。而“混居间”是一种新的“四夸克混居”，还是两个介子的“亲密组合”，众说纷纭，还是一个未解之谜。

△图片来源：自制

2013年，我国第一台高能加速器——北京正负电子对撞机，北京谱仪III首次捕捉到了带电的四夸克态粒子的信号

明确是

四个夸克。这次的“四夸克混居间”被美国物理学会主办的《物理》杂志，评选为2013年国际物理领域十一项重要成果之首。

2015年CERN的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）宣布发现了五夸克粒子

含有五个夸克。首次发现“五夸克混居间”信号，入选了英国《物理世界》杂志年度物理学领域“十大突破”和美国《物理》杂志年度物理学领域“八项重要成果”。2019年 LHCb再次宣布找到一个确定的五夸克态Pc（4312），“五夸克混居间”实锤了！

△图片来源：自制

今年刚发现的四夸克态新粒子是两对正反粲夸克的“四人间”，同一种味道的夸克拥挤在一起的“蜗居”还是首例，这就比较有意思了，因为它可能会带给我们夸克间相处的更多信息。我们人类对于微观世界的认识可以说是管中窥豹，每发现一个新的现象对于我们理解物质起源来说，都可能是一块新的拼图。这十多年尽管发现了很多可能的“多夸克混居”信号，但这对我们做具体的精确定量研究还远远不够，而这次同一种味道的夸克的组合，对我们认识夸克间的相互作用、理解微观世界有重大意义。

△图片来源：自制

目前，人类依靠高能加速器这样的超级显微镜来探秘微观世界，研究这些基本粒子的各种习性。而我们也仅仅只是探秘了夸克的“蜗居”生活，有比较标准的正反夸克对的“介子双人间”和三个夸克的“重子三人间”，对夸克的“四人间”、“五人间”等多人间的“蜗居”生活，其实还很不清楚，甚至不能确定。丰富神秘的微观世界还有很多奥秘等待人类前去探险。

作业

找一找下面图中哪个“蜗居”是被标准模型的律条允许的？