欢迎登录江苏省物理学会官方网站
双粲粒子
发布时间:2017-11-30文章来源:浏览者:476

新粒子的发现,通常是根据粒子物理标准模型的预言,通过长期的实验寻找而实现的。CERN 大型强子对撞机(LHC)上的LHCb 合作组对双粲重子

 的探测,首次以高精度观测到含有两个重夸克的重子。为研究人员提供了一个检验量子色动力学(QCD)的独特的系统。

 

双粲重子像质子一样,由被胶子束缚在一起的3 个夸克组成。两者的主要差别在于组成粒子的夸克类型不同。夸克分为轻夸克(上夸克、下夸克和奇异夸克) 及重夸克( 粲夸克、顶夸克和底夸克)。质子只由轻夸克组成:两个上夸克和一个下夸克。大多数以前观察到的重子至多含有一个重夸克。双粲重子 属于由两个重夸克(粲夸克)和一个上夸克组成的特殊类型的重子。

 

粲夸克比质子约重40%。其性质与轻夸克十分不同。在强子中,轻夸克不断运动,轻的夸克—反夸克对不时地产生。相反,粲夸克几乎是静止的,成为强子的重心。研究人员在LHC上进行的高能质子—质子碰撞时发生的反应中产生粲夸克。粲夸克主要与反粲夸克一起生成。为了形成双粲重子,必须同时产生两对这样的粲夸克—反粲夸克对。两个粲夸克必须在碰撞中形成的夸克胶子海中相遇,并且结合一个轻夸克形成双粲重子(见图)。由于反应的复杂性,加之在反应中生成粲夸克的数量少,以及双粲重子的寿命短(大约10-13 s),所以很久都没有观察到这个粒子。

 

r1

LHCb 合作组提供了双粲重子的证据。该粒子是在高能质子—质子碰撞中产生的两个粲夸克与一个轻夸克结合时形成的

 

双粲重子的发现来自2016 年LHC的最后一轮实验中LHCb 合作组所收集的数据。研究团队对质子—质子碰撞中产生的大量粒子的信号进行筛选,寻找双粲重子衰变所产生的末态粒子( 如其他重子、π 介子、Κ 介子)。合作组观测到空前数量的与双粲重子粒子衰变有关的事件,提供了令人信服的统计证据,表明双粲重子的存在,并以高精度确定了它的质量(3621 MeV/c2)。

 

这一结果引出了关于重子的重要问题。QCD 不但预言了双粲重子,也预言了双粲重子的存在,其夸克组成与双粲重子相同,只是由一个下夸克取代了一个上夸克。由于这两个夸克的质量几乎相同,这两种双

 

粲重子应具有近似相同的质量。在上夸克与下夸克相互交换时,强子质量的近似退化称作同位旋对称性。双粲重子是了双粲重子的同位旋伴侣。

 

2002 年费米实验室的研究人员首次报道观测到双粲重子,并推测其质量约为3520 MeV/c2。该信息引起大量的理论研究,试图使用格点QCD的非微扰方法直接从QCD计算证实这一质量。研究中,为简单起见,假定上夸克与下夸克具有相同的质量,换言之,假定双粲重子与双粲重子的质量相同。然而,所得到的理论预期值与测量到的双粲重子的质量不一致。双粲重子 的质量应比观察值重50—100 MeV/c2。保持QCD的总特征的近似模型计算结果也与测量值不一致。

 

如今LHCb 对双粲重子的探测为解决这一谜团提供了线索:以前的理论研究精确地预言了双粲重子的质量。这种一致表明我们进入了QCD可以精确地预言强子物理的新时代。当今,理论和实验在这一物理领域几乎完美地一致,只有双粲重子是明显的例外。

 

这种同位旋伴侣之间前所未有的质量差(100 MeV/c2)的根源是什么呢?能够用上夸克与下夸克之间微小但非零的质量差引起的效应解释吗?或者可以用这两个重子具有不同的电荷来解释?已有令人信服的理论证据表明,这些效应不可能导致如此大的质量差。需要进一步研究来证实2002 年对双粲重子的观测,并精确地测定其质量。如果这两个同位旋伴侣之间的能隙被证实为约100 MeV/c2 ,就需要重新考虑我们的理论框架。因此,实验及时解决这一谜团是最为重要的。

 

 

(中国原子能科学研究院周书华编译自Raúl A. Briceño. Physics,September 11,2017)

 

本文选自《物理》2017年第11期