国际科学家团队在实验中观测到由五夸克组成的重子态,一个反粲介子和一个粲重子构成类似于分子的松散束缚态

夸克是构成物质的基本单元,一般以由正反两个夸克构成的介子或由三个夸克构成的重子的形式存在,比如质子和中子就属于重子。科学家推测可能存在奇异粒子,如在介子或重子中加入正反两个夸克形成四夸克介子或五夸克重子。2013年中国科学家和日本科学家分别在实验中发现了四夸克态存在的证据。2015年7月,中国科学家参与的欧洲大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)首次发现了五夸克态,但未能阐明其夸克相互作用的内部结构。

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3月26日,欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的LHCb国际合作实验宣布发现一个新的五夸克态Pc(4312),并观测到2015年发现的五夸克结构Pc(4450)实际上是由两个质量相近的共振态Pc(4440)和Pc(4457)叠加而成。以清华大学为主的LHCb中国组成员对此次发现作出重要贡献。

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五夸克态研究骨干、本次新发现主要完成者、清华大学工程物理系张黎明副教授表示,2015年首次发现五夸克态只利用了大型强子对撞机一期运行的实验数据,新的研究利用了迄今为止LHCb探测器采集的所有数据。通过重新优化的事例选择条件,信号的接收效率又得到了显著提高。用于这次实验分析的数据有效统计量比2015年时几乎增加了一个数量级,在低统计量时无法观测到的细致结构清晰地显现出来,给予了人们新的惊喜。

1964年盖尔曼提出夸克模型以解释强子的内部结构。夸克模型认为,重子由三个夸克构成,介子由一对正反夸克构成。盖尔曼同时指出,可能存在有别于普通重子或介子的奇特强子态,例如五夸克态。2015年LHCb实验在底重子到粲夸克偶素、质子和K介子的衰变过程中,发现粲夸克偶素与质子的不变质量谱中存在明显的增强结构,进一步的分析表明,需要两个共振态才能很好地描述这个增强结构的效应,分别命名为Pc(4450)和Pc(4380),括号中的数字表示以兆电子伏为单位的粒子质量。此成果入选了英国《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”。由高原宁、张黎明和杨振伟组成的清华大学LHCb团队对五夸克态的发现作出了重要贡献。

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“2015年LHCb发现了五夸克态,但还有很多有趣的问题没有解决,例如,这五个夸克是如何结合成奇特重子的?我们一直在努力探索这些问题的答案,今天似乎有了更清晰的图像。”
LHCb中国组负责人高原宁教授表示。

全球网赌十大平台,澳门大赌场下载,“新的发现使得我们对五夸克态的理解又进了一步。”清华大学工物系杨振伟副教授表示,“这三个五夸克态的宽度都很窄,质量略低于粲重子和反粲介子质量之和,有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态,但目前也不能排除有其它可能的解释。”

LHCb清华组的研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”专项经费和清华大学自主科研经费的支持。

供稿:工物系

编辑:赵姝婧

审核:周襄楠

国际科学家在强子对撞机实验中发现五夸克态新粒子 清华团队参与

来源:观察者网 2015-7-15

  世界上最大的粒子物理学实验室——欧洲核子研究中心14日宣布,通过大型强子对撞机底夸克实验发现了新粒子——五夸克粒子。国际科学家团队在实验中观测到由五夸克组成的重子态,首次确认五夸克态的存在,证实半个多世纪前的预测。

  早在上世纪60年代科学家就曾预测五夸克态可能存在,然而同“上帝粒子”一样,五夸克粒子在此前几十年中一直是个谜。

  这项发现产生于LHC底夸克实验,意味着科学家找到了物质的新形式。LHCb中国组负责人、清华大学高原宁教授接受采访时说:“LHCb的实验,使人们相信自然界中除了常规物质,确实存在奇特态物质。”此项研究由清华大学和美国雪城大学的研究人员,以及LHCb国际合作组成员共同完成。相关研究已提交到《物理评论快报》期刊。

  1964年,两位科学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出了夸克模型。他们认为重子和介子是由其他三种更基本的粒子构成的,这样它们的关键特性才能得到很好的解释。他们的理论模型也涵盖五夸克粒子的存在——这种理论上存在的粒子由四个夸克和一个反夸克组成。所谓反夸克就是普通夸克粒子的反粒子。

  夸克是一种基本粒子,构成物质的基本单元,我们所知的夸克有6种,夸克的种类被称为味,名字都很奇特,分别叫上、下、粲、奇、底、顶。夸克的不同组合形成了各种复合粒子,其中比较有名的就是中子和质子,都包含三个夸克。

  之前曾有多个科研团队宣布发现五夸克粒子,但其研究结论相继被后来的实验推翻。2013年北京谱仪实验上发现的Zc粒子被认为是四夸克态存在的证据,对于5个夸克如何构成奇特重子,“一种观点认为5个夸克构成紧密的统一体,另一种观点认为这是由一个重子和一个介子相互作用构成的类似于分子的结构。”清华大学副教授、“青年千人计划”入选者张黎明表示,更深入的研究正在进行。

  在大型强子对撞机的这次研究中,物理学家观测了一种叫做λb的粒子在LHCb中衰退或转换为三种其他粒子的方式。研究发现,在三种粒子产生过程中有时会出现居间态粒子。“我们分析了这些信号的所有可能性并得出结论,只有五夸克粒子能够解释它们。”
LHCb的物理学家托马斯·斯克瓦尔尼茨基表示。

  之前的研究只是测量所谓的质量分布,也就是在背景“噪音”中会出现统计学峰值——科学家会在这里寻找新粒子存在的迹象。但是LHC允许科学家从四个更多的角度进行分析,也就是粒子按不同方向在LHCb中进行碰撞时产生的角度。而且多种角度的观测均指向同一结论。

  “我们把这个问题从一维变成了五维……我们可以描述衰退过程中发生的一切。”
LHCb的物理学联络员帕特里克·格本伯格向英国广播公司表示:“我们所看到的只可能由未曾观测过的新粒子产生,不可能是其他物质。”

  “五夸克粒子不仅仅是一种新粒子,”
LHCb发言人盖·威尔金森评价道:“它代表普通的质子和中子的基本组成单元——夸克新的组合方式,它们的组合类型在过去半个多世纪的研究中从未被发现过。”

  下一步科学家将进一步研究在五夸克态中,夸克是如何组合在一起的。

  “这是LHCb实验在强子谱研究上最激动人心的结果。”清华大学副教授杨振伟说。他目前是LHCb实验“底强子与夸克偶素”物理工作组的召集人,这项研究就在该工作组完成。LHCb是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一,合作组由16个国家68个单位的1133名成员组成。“通过大型国际合作,最高水平的专家和学生一起探索,不断促进人类对自然界本质的认识。”LHCb中国组负责人、清华大学高原宁教授说。

近日,在“大科学装置前沿研究”重点专项等的支持下,我国清华大学和美国雪城大学合作在五夸克态研究方面取得了新发现,不仅更新了2015年LHCb实验发现的五夸克态结果,并且给出了支持重子和介子可以形成束缚态的有力实验证据。研究人员发现LHCb实验在2015年观测到的五夸克结构实际上是由质量非常接近的两个结构叠加形成,同时观测到了一个新的五夸克重子态。这三个五夸克态的质量仅仅稍低于粲重子(包含粲夸克的重子)和反粲介子(包含一个反粲夸克的介子)的质量和,有可能是由一个粲重子和一个反粲介子通过强相互作用构成的类似于分子的束缚态。

该项研究首次揭示了五夸克态的内部结构,与理论预言有很好的一致性,为最终阐明五夸克态的内部机制奠定了基础。相关研究成果在Moriond
QCD
2019国际会议上公布,将于近期正式发表在国际学术期刊上。十大博彩官网 3

图:一个反粲介子和一个粲重子构成类似于分子的松散束缚态

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