四夸克还是三角奇点,科学家是如何区分的?答案在这里


四夸克还是三角奇点,科学家是如何区分的?答案在这里


文章图片


四夸克还是三角奇点,科学家是如何区分的?答案在这里


文章图片


四夸克还是三角奇点,科学家是如何区分的?答案在这里


文章图片


四夸克还是三角奇点,科学家是如何区分的?答案在这里


前苏联物理学家列夫·朗道几十年前的预测竟成真?
如何研究强力?
上世纪五十年代 , 前苏联物理学家列夫·朗道(Lev Landau)首次提出了“三角奇点”(triangle singularity)这一怪异现象的假设 。
高能量碰撞产生如希格斯玻色子(Higgs boson)这样的新粒子的抽象图 。

(图源:《太空的一切》(All About Space)杂志经由盖蒂图片社(Getty Images)提供 。 )
物理学家筛选旧的粒子加速器数据后 , 发现了一种从未见过的现象 , 非常难以捕捉到 , 也就是所谓的三角奇点 。
上世纪五十年代 , 前苏联物理学家列夫·朗道首次设想出这一现象 。 三角奇点是指一种罕见的亚原子过程 , 在这过程中粒子会在飞离彼此前交换“身份” 。

在这种情况下 , 两个叫做K中介子(kaons)的粒子形成了三角形中的两个点 , 而这两粒子交换“身份”后成为的粒子 , 则形成了三角形的第三个点 。
研究的共同作者 , 波恩大学亥姆霍兹辐射与核物理研究院的伯恩哈德·凯泽(Bernhard Ketzer)在一份发言中说道:“在此过程中所涉及的粒子 , 交换了夸克并改变其‘身份’ 。 ”
因为描述亚原子粒子交互作用的数学方法都失效了 , 所以就称其为奇点 。

如果这种非常怪异的粒子“身份”交换真的存在 , 那么就能帮助物理学家理解将原子核内部绑在一起的强力( the strong force) 。
“罗盘”实验的进展
2015年 , 在瑞士欧洲核子研究组织(CERN)研究粒子碰撞的物理学家认为 , 他们已经捕捉到这种粒子短暂奇异集合的瞬间 , 并称这种粒子为四夸克(tetraquark) 。 但是有新的研究却支持一种完全不同、甚至更为怪异的解释:一对粒子并没有形成新的集合 , 反而在飞离前交换了“身份” 。 这种“身份”交换叫做三角奇点 , 意想不到的是 , 他们的这项试验可能首次证明了这一过程存在 。
CERN的结构和光谱学普通μ介子质子工具(Common Muon and Proton Apparatus for Structure and Spectroscopy , 简称COMPASS , “罗盘”)实验 , 对强力进行了研究 。 强力的作用(让质子和中子黏在一起)非常简单 , 可强力本身却复杂得让人头晕目眩 , 曾有过一段时期 , 物理学家很难完全描述强力在所有这些交互作用中的行为 。
所以“罗盘”实验中的科学家为了理解强力 , 就用超级质子同步回旋加速器(the Super Proton Synchrotron)中的超高级能量 , 把聚在一起的粒子粉碎了 。 随后科学家就能观测结果 。
实验先从介子(pion)开始 , 介子是由夸克和反夸克这两个基本建构单元组成 。 强力让介子内的夸克和反夸克黏在一起 。 不像其他基本自然力随距离越远而越弱 , 强力随着夸克相隔越远 , 反而更强(打个比方 , 介子中的夸克就像让橡皮筋绑着 , 越把夸克分开就得越拉扯橡皮筋 , 弹力也就越大) 。
随后 , 科学家把介子加速到接近光速后 , 再让其撞入氢原子核中 。 撞击打破了夸克之间的强力 , 抑制着的能量全都释放了出来 。 “转变成了物质 , 又形成了新的粒子 。 ”凯泽说道 , “因此 , 像这样的实验就能给我们提供这种强烈交互作用的重要信息 。 ”
有四种基本自然力 , 分别是:重力 , 是最弱的力(左上角的图);电磁力 , 作用在较小的层面上;弱核子力 , 让原子中的核子从质子转化成中子 , 并在转化过程中释放贝塔射线;强力 , 固定住原子核中的核子 , 以及核子自身中的夸克 。

(图源:马克·加利克(MARK GARLICK)/科学图片库(SCIENCE PHOTO LIBRARY)经由盖蒂图片社提供)
四个夸克还是一个三角?
回到2015年 , “罗盘”实验的科学家创纪录地分析了5000万份这样的碰撞后 , 发现了一个非常有趣的信号 。 这些碰撞发生后 , 有新粒子出现的情况不到1% 。 科学家将这种新粒子称为“a1(1420)” , 最初以为它是一种新的四个夸克的组合——四夸克 。 然而 , 这种四夸克不稳定 , 很快就蜕变成了其他东西 。

推荐阅读