大型强子对撞机发现双魅力四夸克

新四夸克内部结构的可能变体之一

LHCb 合作项目在欧洲核研究组织 (CERN) 的大型强子对撞机上运行,​​其中包括许多俄罗斯研究所,该项目宣布发现了一种新粒子,一种奇异的四夸克。 这种新粒子与许多其他实验发现的四夸克有很大区别,因为它是一种所谓的双粲四夸克——它同时包含两个粲夸克,但不包含粲过的反夸克。 此外,粒子的寿命非常长——它的寿命比质量相似的粒子长一到两个数量级。

简要介绍夸克和强子

总的来说,基本粒子的标准模型中存在三种相互作用,现在物理学普遍接受并描述了微观世界中正在发生的事情: 电磁, 虚弱的强的. 其中第一个是众所周知的; 这种相互作用的载体是光子。 弱力之所以被称为是因为它的载体, 电中性 Z0-玻色子和带电的 W±– 玻色子,与大多数基本粒子相比非常重,它们对许多相互作用过程的贡献非常小。 无质量所承载的强相互作用的强度 胶子,随着之间的距离增加 夸克 – 携带“强”电荷(也参与电磁和弱相互作用)的基本粒子。 这导致夸克总是被束缚成复合粒子的事实, 强子. 这种现象称为 坐月子 夸克。 除了夸克和胶子,没有粒子参与强相互作用。

标准模型包括六种夸克,传统上被称为如下: — 上),下(d – 下),附魔(C – 着迷的),奇怪的(s – 奇怪),真实( – 真相或顶级)和可爱的(b – 美丽或底部)。 它们的电荷和质量如图 1 所示。 2、从图中可以看出,夸克的质量变化很大,从2.3M电子伏特 为了 -夸克高达 173 GeV -夸克。 通常物理学家称 -, d– 和 s-夸克是轻的,并且 C-, b– 和 -夸克很重。

米。 2. 标准模型中夸克的质量和电荷

强子可以由所有夸克(和反夸克,它们与负责的夸克不同)组成,除了 -夸克,它很重,因此很快衰变为其他粒子,没有时间与其他夸克形成束缚态,可以称为粒子。 这就是为什么 -夸克仅以虚拟粒子的角色参与基本粒子的相互作用过程。 根据基本粒子的量子场标准模型,夸克是点粒子,但强子的有限大小约为 10-13 厘米。

有几种类型的强子。 其中研究得最好的是 介子,由一对“夸克-反夸克”组成,并具有整数内旋转矩(称为 背部),以及由三个夸克组成并具有半整数自旋的重子(夸克本身的自旋为 1/2)。 例如,重子包括构成原子核的质子和中子。 它们只包含光 – 和 d– 夸克

事实上,强相互作用的量子场论是 量子色动力学 (QCD) – 声称除了这种称为价夸克的“普通”夸克外,强子还包括无限数量的将价夸克相互结合的胶子,以及不断从真空中产生的虚拟夸克-反夸克对。 这些虚拟夸克被称为“海”(海夸克)。 在本文的框架中,说到强子的组成,我们只指价夸克。

有许多已知的重子和介子,并且对它们进行了很好的研究。 然而,早在 1964 年,美国人 嫁给盖尔-曼诺姆乔治·茨威格 有人提出存在由四个甚至五个夸克组成的强子—— 四夸克五夸克. 随后,他们的假设得到了证实:目前,已经实验检测到了 4 个五夸克和大约 20 个四夸克。 总共发现了大约 500 个强子(包括反粒子,它与强子的不同之处在于用反夸克代替了所有构成夸克,反之亦然)。 仅在 CERN 的大型强子对撞机上,就发现了 62 个新的强子,其中 59 个是在过去 10 年中发现的(图 3)。


米。 3. 过去10年在大型强子对撞机上发现的强子

新四夸克

近日,欧洲物理学会高能物理会议上的 LHCb 合作(欧洲物理学会高能物理会议EPS-HEP) 报道 关于发现一种新的奇异四夸克。 这个强子由两个重 C-夸克和光反-– 和反 –d-夸克。 新粒子的奇异之处在于它是第一个发现的具有所谓“双开粲”的四夸克:它包括两个粲夸克,没有反-C-夸克。 所有其他实验发现的四夸克 具有 或“隐藏的魅力”(也就是说,它们包含等量的 C-夸克及其反粒子)或“单开粲”(即,它们包括一个粲夸克)。

新粒子用 \(T_{cc}^+\) 表示。 字母“T”表示它是一个四夸克,符号“cc”——表示它包含两个粲夸克,加号表示粒子带正电荷(等于+1)。 新四夸克的质量约为 3.875 GeV,与其他已发现的四夸克的质量接近,范围约为 3 到 7 GeV。 一个粒子的一个不寻常的特性(与其夸克成分有关)是一个非常长的寿命(它和大多数其他强子一样,是不稳定的,也就是说,它会衰变为其他粒子):它可以存活几十甚至几百比其他类似质量的强子长几倍(有关为什么双魅四夸克应该比其对应物更稳定的信息,请参阅问题如此不同的四夸克)。 按数量级,新四夸克的寿命是 10-21

另一个有趣的性质 \(T_{cc}^+\) 是,正如物理学家所说,这个四夸克非常“松散”,也就是说,它的平均密度很低:其质量略大于原子核的质量一个氦原子,结果证明它大约等于一个镭原子的原子核,它重50倍。 通过为未来计划的更精确的分析,研究人员希望了解新四夸克的内部结构。 例如,它可能看起来像一个“原子”,它有一个非常小而重的“核心”,由两个粲夸克组成,周围是一个非常大的轻反夸克云(图 1)。 或者它可能看起来像一个“分子”,其中有两个重粒子 D0 和 D*+ (D0 是一个介子,由 C– 和反 –-夸克和 D*+ 包含 C– 和反 –d-夸克)的距离大约是这些粒子大小的 8-10 倍(图 4)。 这些是主要的选择,物理学家希望在某个时候能够准确地找出自然界中实现的场景。

米。 4. 新四夸克结构的另一种可能变体

\(T_{cc}^+\) 的发现有两个谜团。 首先,由于某种原因,新四夸克的质量非常接近上述魅惑 D 的质量总和。0– 和 D*+介子,引起了理论家的极大兴趣。 此外,还有另一种神秘粒子\(\chi_{c1}(3872)\)(括号内为它的MeV质量),它已经为人所知大约20年了,但科学家们仍然不知道它是如何工作的。 如您所见,它的质量非常接近质量 \(T_{cc}^+\)。 这是否是巧合目前还不清楚。 这两种粒子的区别在于,新四夸克的成分有两种 C-quark,并且 \(\chi_{c1}(3872)\) 包括 C-夸克和反-C-夸克。 给人的印象是这些是某种“近亲”。

发现\(T_{cc}^+\)四夸克的实验数据是从2011年到2018年收集的。 在此期间,记录了大约 200 个新粒子诞生的事件。 强烈地观察到信号具有大于 20 个标准偏差的统计显着性(意味着由于统计波动而导致这种效应偶然出现在数据中的概率可以忽略不计)。 四夸克在 \(D^0D^0\pi^+\) 系统的不变质谱中被观察为一个相当窄的峰(\(\pi^+\) 是带正电的 \(\pi\) 介子包含由…组成 -夸克和反-d夸克),它衰变为其中。

米。 5. 系统不变质量中的峰值 \(D^0D^0\pi^+\)

发现含有两个重质的四夸克 C-夸克而不是一个单一的反-C-夸克,给研究人员带来希望,可能有一个粒子包含一对甚至更重的美丽 b-没有相应反夸克的夸克。 这个假设粒子的寿命预计约为 10-13 秒,这比长寿命的 \(T_{cc}^+\) 还要长 8 个数量级。 在 QCD 中不可能在如此大的时间尺度上计算粒子相互作用的过程,因此对这种尚未发现的强子行为的实验研究非常有趣。

资料来源:
1) 观察一个异常迷人的四夸克 — 网站上关于 LHCb 合作开放的短消息。
2) 新四夸克离稳定只差一步 – 出版物中的注释 欧洲核子研究组织信使.
3) I.波利亚科夫。 最近关于奇异介子候选者的 LHCb 结果 — LHCb 合作代表在 EPS-HEP 会议上的报告。

安德烈·费尔德曼



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