中國科學(xué)家主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)新型粒子
本報記者 操秀英
歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）上的底夸克探測器（LHCb）實驗組宣布發(fā)現(xiàn)雙粲重子，歐洲核子研究中心專門進行了新聞發(fā)布。而中國研究團隊在新發(fā)現(xiàn)中作出關(guān)鍵性貢獻。
什么是雙粲重子，為什么科學(xué)家要尋找這種粒子，它的發(fā)現(xiàn)有何重要意義？科技日報記者就此采訪了底夸克探測器中國組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)工程物理系教授高原寧。
首次發(fā)現(xiàn)含有兩個重夸克的重子
在粒子物理學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述基本力（強力、弱力和電磁力）及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，基本粒子可以分為費米子和玻色子，費米子又可以再分為輕子（比如電子）和夸克。
按照標(biāo)準(zhǔn)模型的分類，重子由三個夸克組成，熟知的質(zhì)子和中子是最常見的重子。自然界中存在六種不同夸克，分別是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克和底夸克。前三種較輕，后三種較重。
理論預(yù)期存在很多種具有不同組分的重子。此前發(fā)現(xiàn)的所有重子都最多只含有1個重夸克。例如，質(zhì)子具有兩個上夸克和一個下夸克，中子則具有兩個下夸克和一個上夸克。此次發(fā)現(xiàn)的新粒子之所以與眾不同，是因為它含有兩個重夸克。
新發(fā)現(xiàn)的雙粲重子含有兩個粲夸克和一個上夸克，帶兩個單位電荷，質(zhì)量約為3621兆電子伏特，幾乎是質(zhì)子質(zhì)量的4倍。如果畫一幅關(guān)于雙粲重子的圖像，就會看到兩個重夸克位于中間，距離非常近，一個輕夸克圍著二者轉(zhuǎn)。
高原寧說，由于粲夸克質(zhì)量遠(yuǎn)大于上夸克，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)預(yù)期迥異于普通重子，對其性質(zhì)的細(xì)致研究將有助于人類深入理解物質(zhì)的構(gòu)成和強相互作用力的本質(zhì)。
繼2012年發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”希格斯玻色子后，標(biāo)準(zhǔn)物理模型這塊大拼圖已基本完成?！霸诮鉀Q具體問題上還缺少一些細(xì)節(jié)，比如在重子中夸克之間是如何作用的，等等?！备咴瓕幷f，強相互作用是形成原子核等重要物質(zhì)的最關(guān)鍵的力，分子、原子的質(zhì)量90%以上都來源于強相互作用。雙粲重子的發(fā)現(xiàn)，讓科學(xué)家們可以探索強相互作用在這種新的夸克構(gòu)成之下，會有什么新性質(zhì)，有助于加深對強相互作用本質(zhì)的了解。
給標(biāo)準(zhǔn)理論模型補充一塊拼圖
“我們從2010年起開始這項研究，經(jīng)過多年努力終于取得不錯的成果。”高原寧說。
底夸克探測器是歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的粒子物理實驗裝置之一，專門進行含有重夸克粒子的產(chǎn)生和衰變性質(zhì)研究。底夸克探測器合作組由來自16個國家、72個單位的1185名成員組成，其中中國組由清華大學(xué)、華中師范大學(xué)、中國科學(xué)院大學(xué)和武漢大學(xué)的研究人員組成。近年來，中國組在強子性質(zhì)和電荷宇稱對稱性破缺等方面的研究中成績突出。
為什么中國組將尋找含有兩個粲夸克的重子作為目標(biāo)？“根據(jù)夸克模型，基態(tài)重子的數(shù)量是一定的，例如，由上夸克,下夸克,奇夸克和粲夸克可以組成20個自旋為1/2的基態(tài)重子，高能物理學(xué)領(lǐng)域一直在尋找這些不同組分的重子，希望能進一步驗證標(biāo)準(zhǔn)模型?！备咴瓕幷f。
在此之前，科學(xué)家們已經(jīng)找到上夸克、下夸克、奇夸克這三種較輕夸克組合成的不同重子?！皹?biāo)準(zhǔn)模型最成功的是預(yù)言了含有三個奇夸克的重子的存在，后來真的被找到了。此外，由一個重夸克和兩個輕夸克組成的重子也基本被發(fā)現(xiàn)?！备咴瓕幷f，所以尋找含有兩個較重夸克的重子成為主要目標(biāo)。
“大家當(dāng)然也希望找到含有兩個底夸克的，但是由于粲夸克質(zhì)量比底夸克小，所以產(chǎn)生它更容易，我們就從雙粲重子入手了?！备咴瓕幷f。
事實上，早在1974年，華裔物理學(xué)家丁肇中和美國科學(xué)家里希特就發(fā)現(xiàn)了粲夸克，并因此摘得諾貝爾物理學(xué)獎。科學(xué)家們按照夸克模型的理論，制作出了含有粲夸克的“元素周期表”，并推斷出雙粲重子在表中的位置和大概性質(zhì)。
“這次的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于我們又給標(biāo)準(zhǔn)模型提供了證據(jù)，給這個大拼圖完善了一小塊?！备咴瓕幷f，新粒子的發(fā)現(xiàn)表明該模型仍是目前描述基本粒子的最好理論。
尋找新粒子的腳步不停
“這次的發(fā)現(xiàn)也驗證了我們之前提出的，在高能物理裝備上進行質(zhì)量相對較小粒子實驗的可行性。”高原寧說。
他解釋道，希格斯玻色子的質(zhì)量為125GeV（千兆電子伏），需要高能對撞機來產(chǎn)生。頂夸克由于壽命太短無法與其它夸克形成穩(wěn)定重子，而其它夸克的質(zhì)量均在5GeV以下。此前有觀點認(rèn)為，對重子的研究用不上大型強子對撞機?！皩嶒灲Y(jié)果表明，這么高的能量雖然不是研究此類重子的必要條件，但確實可以能有比較好的效果?！?/p>
高原寧說，此次的新發(fā)現(xiàn)，使大家對尋找更多類型雙粲重子的未來，更加篤定，各國科研人員都會加速尋找。理論認(rèn)為，至少存在3個基態(tài)的類雙粲重子，剩下兩個會更難發(fā)現(xiàn)，需要更多數(shù)據(jù)和更細(xì)致的分析。
中國科學(xué)家將為此繼續(xù)努力。同時，未來一段時間內(nèi)的目標(biāo)是精確測量雙粲重子的壽命。雙粲重子本身非?！岸堂保凇俺錾敝髸杆偎プ?。此外，他們還要繼續(xù)探索雙粲重子是否衰變到了其他的衰變道。
高原寧說，發(fā)現(xiàn)新物理理論和求解標(biāo)準(zhǔn)理論模型一直是高能物理領(lǐng)域的兩大方向。
雖然標(biāo)準(zhǔn)模型以驚人的準(zhǔn)確度描述了大量不同的現(xiàn)象，從恒星內(nèi)部的核聚變機制到希格斯粒子的產(chǎn)生，被認(rèn)為是人類目前整合得最成功的一套科學(xué)理論，但這套理論沒有包括一個量子引力理論，沒能實現(xiàn)相互作用力統(tǒng)一。標(biāo)準(zhǔn)模型還不能描述暗物質(zhì)和暗能量，而這兩者組成了宇宙中95%的質(zhì)能。因此，物理學(xué)家們希望能發(fā)現(xiàn)解釋這些現(xiàn)象的新物理理論。
同時，大量實驗依然在尋找標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)言的各種粒子?！皹?biāo)準(zhǔn)模型里還有很多東西沒搞清楚。比如我們2015年發(fā)現(xiàn)了5個夸克組成的強子，北京正負(fù)電子對撞機上發(fā)現(xiàn)過4個夸克的強子，那么是不是還有6個夸克的強子？這些強子內(nèi)部夸克之間的結(jié)構(gòu)怎樣，如何相互作用？”高原寧說，這就像上帝寫了一個方程式，也給出了標(biāo)準(zhǔn)答案，但人們并不知道解題的中間過程。
“雖然我們迄今的發(fā)現(xiàn)都沒有跑出目前的理論物理體系，但我們相信隨著數(shù)據(jù)積累得越來越多、越來越好，未來發(fā)現(xiàn)新物理體系的可能性也越來越大。”高原寧說。
