粒子夸克没有内部结构吗（微观物理学的重大突破）

简介：CERN发现了预言中的新粒子—“tetraquark”，由两个夸克和两个反夸克绑定组成。

欧洲核子研究中心的 LHCb 机构宣布发现了一种新的奇异粒子：也就是所谓的“四夸克”。相关的论文由 800 多位作者撰写，虽然尚未由其他的科学家在“同行评审”中进行评估，但已在研讨会上发表。 在研讨会上，科学家们还声称发现新粒子的常用统计阈值。

这一发现标志着近 20 年来在世界各地的粒子物理实验室进行的研究有了重大突破。

为了了解四夸克是什么，以及为什么这一发现如此重要，我们需要回到 1964 年，当时粒子物理学正处于一场革命之中。 披头士狂热刚刚爆发，越南战争正在肆虐，新泽西州的两名年轻射电天文学家刚刚发现了宇宙大爆炸理论有史以来最有力的证据。

美国西南部的加州理工学院和大西洋另一边瑞士欧洲核子研究中心的双粒子物理学家们分别发表了两篇关于同一主题的独立论文。两者都是关于如何理解过去二十年中发现的大量新粒子。

许多物理学家难以接受宇宙中可能存在如此多的基本粒子，也就是所谓的“粒子动物园”。来自欧洲核子研究中心的乔治·茨威格和来自加州理工学院的默里·盖尔曼找到了相同的解决方案。如果所有这些不同的粒子真的由更小、未知的基础块组成，就像元素周期表中的一百多种元素由质子、中子和电子组成一样，会怎样？ 茨威格将这些基础块称为“王牌”，而盖尔曼则选择了我们今天仍在使用的术语：“夸克”。

我们现在知道有六种不同的夸克——上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。 这些粒子也有各自带相反电荷的反物质同伴，它们可以根据基于对称性的简单规则结合在一起。 由夸克和反夸克组成的粒子称为“介子”； 而三个夸克结合在一起会形成“重子”。 构成原子核的熟悉的质子和中子就是重子的一种。

这种分类方案完美地描述了 1960 年代的粒子动物园。然而，即使在盖尔曼的原始论文中，他也意识到夸克的其他组合方式也是可能的。 例如，两个夸克和两个反夸克可能会粘在一起形成“四夸克”，而四个夸克和一个反夸克会形成“五夸克”。

具有奇异特性的粒子

快进到 2003 年，日本 KEK 实验室的 Belle 实验报告了对一种名为 X(3872) 的新介子的观察，它显示出与普通介子截然不同的“奇异”特性。

在接下来的几年里，物理学家们发现了几个新的奇异粒子，于是他们开始意识到，只有在这些粒子是由四个夸克而不是两个夸克组成的时候，它们才可以解释得通。 然后，在 2015 年，欧洲核子研究中心的 LHCb 实验发现了第一个由五个夸克组成的五夸克粒子。

迄今为止发现的所有四夸克和五夸克都包含两个相对重的粲夸克和两到三个较轻的上夸克、下夸克或奇夸克。 这种特殊的组合确实是在实验中最容易发现的。

但是 LHCb 最近发现的四夸克由四个粲夸克组成，也被称为 X(6900)。 经过观察，四夸克由大型强子对撞机的高能质子碰撞中产生，之后会衰变成为已知的介子粒子J/psi，每个粒子由粲夸克和粲反夸克组成。四夸克耐人寻味的是，它不仅完全由重夸克组成，而且还由四个相同类型的夸克组成——这是一个帮助证实我们如何理解夸克结合在一起的独特样本。

LHCb 探测员布莱斯. J. 奥丹，欧洲核子研究中心

目前，有两种不同的模型可以解释夸克如何结合在一起：它们可能是强结合的，结合成为我们所说的紧凑四夸克。或者可能是夸克排列成两个介子，它们松散地粘在一个“分子”中。

普通分子由通过电磁力结合在一起的原子组成，电磁力作用于带正电的原子核和带负电的电子之间。 但是介子或重子中的夸克是通过一种不同的力连接起来的，即“强力”。 原子和夸克虽然遵循非常不同的规则，但是都可以形成非常相似的复杂物体，这真有趣极了。

根据之前的研究成果，新粒子似乎更加符合致密四夸克而不是双介子分子。因此它与众不同，物理学家详细研究这种新的结合机制。这也意味着其他重致密四夸克的存在。

进入微观宇宙的窗口

夸克之间的强力作用遵循非常复杂的规则——复杂到只能用近似值和超级计算机来计算其效应。

X(6900) 的独特性质将有助于理解如何提高这些近似值的准确性，以便在未来我们能够描述我们今天无法实现的其他更复杂的物理学机制。

自从发现 X(3872) 以来，对奇异粒子的研究蓬勃发展，数百名理论物理学家和实验物理学家共同努力，为这个令人兴奋的新领域提供了一些线索。 新四夸克的发现是一个巨大的飞跃，表明仍然存在许多新的奇异粒子，等待有人揭开它们的面纱。

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FY: 侧耳倾听

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