五夸克態

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五夸克粒子的兩種模型
五夸克袋模型
介子-重子模型
夸克標記為q,反夸克標記為q。傳遞強相互作用膠子以波形線來標記。夸克帶有的不同色荷對應於不同的顏色。紅色、綠色、藍色是三種不可或缺的顏色;另外剩餘的夸克與反夸克必須呈相反顏色,在這裏選擇為藍色與反藍色(以黃色表示)。

五夸克粒子是一種假想[註 1]次原子粒子,屬於奇異強子。五夸克粒子有五個夸克[註 2]。更詳細地說,是四個夸克和一個反夸克(表示他的重子數為1)。雖然物理學者預言五夸克粒子存在已很多年了,五夸克態顯然很不容易被發現。有些物理學者甚至提議,某種未知自然定律阻止五夸克粒子的出現。[1]

2000年代,曾經有幾個實驗報告發現五夸克態的存在[2],但對於這些實驗所獲得的數據做重新分析,再加上對於後來完成的實驗做分析,所得到的結論是,這些先前得到的結果都是統計效應,而不是真實的共振[3]。2015年7月13日,歐洲核子研究組織LHCb實驗團隊報告,在底Λ粒子 (Λ0
b
)的衰變反應中,發現了五夸克態,[4]但這結果尚未經過同行評議。

在粒子物理學實驗室之外,五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的過程中自然製成。[5]對於五夸克粒子的研究或許可以幫助洞悉這些恆星怎樣形成,也可以讓物理學者更加了解強相對作用。

概述[编辑]

於2015年7月提出可能已被發現的五夸克粒子P+
c
示意圖,顯示出每一個夸克的風味與一種可能的顏色組合。

夸克是一種基礎粒子,它擁有質量電荷色荷性質,還擁有給出夸克種類(上夸克下夸克奇夸克魅夸克頂夸克底夸克)的風味性質。由於夸克禁閉效應,夸克從未被觀測到單獨存在。幾個夸克可以共同組成複合粒子,稱為強子。由一個夸克與一個反夸克共同組成的強子稱為介子。由三個夸克組成的強子稱為重子。物理學者知道很多關於這些普通強子的性質和行為。沒有任何理論規定禁止夸克組成奇異強子,例如,由兩個夸克與兩個反夸克組成的四夸克粒子,由四個夸克與一個反夸克組成的五夸克粒子。[1]

五夸克粒子有很多不同種類,不同的夸克組合會組成不同的粒子。物理學者使用符號qqqqq來標記五夸克粒子,其中,q與q分別標記夸克與反夸克。符號u、d、s、 c、b、t分別標記上夸克下夸克奇夸克魅夸克頂夸克底夸克;符號udscbt分別標記對應的反夸克。例如,由兩個上夸克,一個下夸克,一個魅夸克,一個反魅夸克組成的五夸克粒子標記為uudcc

在五夸克粒子裏,夸克被強作用力束縛在一起,強作用力能夠促使所有色荷相互抵銷。更仔細說,在介子裏,夸克必須與反色荷的反夸克配對在一起,例如,藍色夸克與反藍色反夸克;在重子裏,三個夸克必須從三種色荷中各自選擇不同的色荷,例如,紅色、藍色與綠色。[註 3]在五夸克粒子裏,色荷必須相互抵銷。唯一可行的組合是設定一個夸克為某顏色,另一個夸克為另一種顏色,另兩個夸克為第三種顏色,最後一個夸克為第三種顏色的反顏色。[6]

物理學者尚不清楚五夸克粒子的束縛機制,可能是五個夸克緊緊地束縛在一起,也可能是一個重子與一個介子鬆鬆的束縛在一起。[7]

歷史[编辑]

理論預言[编辑]

默里·蓋爾曼於1964年最早提議奇異強子存在。1979年,丹尼爾·斯特勞曼英语Daniel Strottman給出模型描述由四個夸克與一個反夸克組成的強子。[8][9][4]

1997年,俄罗斯聖彼得堡科學院核物理學院英语Petersburg Nuclear Physics Institute的理論物理學者馬克沁·波利亞科夫英语Maxim Polyakov維克托·佩特羅夫英语Victor Petrov德米特里·帝雅克諾夫英语Dmitri Diakonov預言由兩個上夸克、兩個下夸克與一個奇夸克組成的五夸克粒子存在,並將這種粒子命名為Θ+
。它的質量約為1530MeV、寬度約為15MeV,比較特別的性質是它的奇異數為1,做實驗可以很容易從奇異數辨識出這粒子的存在。[10][11]

2000年代中期[编辑]

由於五夸克粒子必須擁有一個反夸克,假若反夸克的風味匹配任何其它夸克的風味,這夸克-反夸克對會相互抵銷,因此五夸克粒子會貌似它的三夸克重子,所以許多種類的五夸克粒子都很難在實驗裏辨識出來。為了避免這問題,早期五夸克粒子探索實驗會尋找夸克-反夸克對不相互抵銷的粒子。[6]在2000年代中期,有幾個實驗聲稱,揭露了五夸克態。特別是2003年在日本春天八號同步輻射設施完成的「春天八號激光電子光子實驗」(LEPS實驗)顯示出質量為1540MeV的共振態,顯著性差異為4.6 σ[11]。這實驗得到的結果跟1997年波利亞科夫等的理論預言相符合。[12]

在此之後,又有九個獨立實驗發佈報告表示,觀測到n K+
p K0
的狹窄峰值,質量在1,522 MeV/c21,555 MeV/c2之間,顯著性差異都超過4 σ[11]。雖然對於這些實驗結果的正確性仍舊存有質疑,在2004年《粒子物理學評論英语Review of Particle Physics》裏,粒子數據小組英语Particle Data Group給予Θ+
三顆星評估,最高是四顆星。另外還有兩個五夸克態被觀察到,它們是質量分別為1,860 MeV3,099 MeVΦ−−
(ddssu)與 Θ0
c
(uuddc)。它們後來都被更正為統計效應,而不是真實共振態。[11]

在LEPS實驗之後,約有十個獨立實驗試圖尋找Θ+
,但都未獲成功。其中兩個實驗(一個在BELLE,另一個在CLAS英语CLAS detector)分別與先前聲稱觀測到Θ+
粒子的兩個實驗(DIANA實驗英语DIANASAPHIR實驗英语SAPHIR)幾乎相同。[11]2006年《粒子物理學評論》總結,[11]

曾經聲稱觀測到Θ+
的每一個原本實驗,都尚未獲得高統計量確認。傑佛遜實驗室英语Jefferson Lab完成兩個高統計量重複實驗,它們明確地證實,原本兩個聲稱觀測到Θ+
的實驗都不正確。另外,還有一些已完成的高統計量實驗,它們都沒有找到Θ+
的蛛絲馬跡。關於另外兩個聲稱觀測到Θ+
五夸克態的實驗,所有嘗試確認那些結果的實驗都獲得負結果。一般而言,五夸克粒子不存在;特別而言,Θ+
不存在。這結論顯得很有說服力。

2008年《粒子物理學評論》更進一步表示,[3]

近期有兩個或三個實驗對於在標稱質量附近獲得薄弱的信號證據,但鑒於壓倒性的證據聲稱五夸克粒子不存在,將它們臚列出來是毫無意義的……整個故事──發現本身、緊跟著像漲潮般的論文、最終的退潮發現──在科學歷史上是一集相當古怪的連續劇。

儘管有那麼多顯目的零結果英语null result,LEPS團隊於2009年仍舊表示,在質量為1,524±MeV之處觀測到狹窄態存在,顯著性差異為5.1 σ。[13]針對這爭論,那時期有很多實驗如火如荼地進行著。

2015年LHCb結果[编辑]

費曼圖展示,底Λ粒子 Λ0
b
衰變為K介子K
與一個五夸克粒子P+
c
圖為對於Λ0
b
→J/ψK
p衰變的J/ψp不變質量譜的拼湊結果,每一個拼湊部分都被單獨展示出來。五夸克粒子貢獻出的拼湊部分展示為畫斜線的直方圖

2015年7月13日,LHCb實驗團隊在Λ0
b
→J/ψK
p衰變道辨識出五夸克粒子;在這衰變道裏,底Λ粒子 (Λ0
b
)衰變為一個J/ψ介子(J/ψ)、一個K介子 (K
)與一個質子(p)。實驗數據顯示,有時候,底Λ粒子不會通過Λ*居間態英语intermediate state衰變為一個K介子 (K
)與一個質子(p),而會間接地通過五夸克居間態英语intermediate stateP+
c
;兩個被發現的居間態P+
c
(4380MeV)與P+
c
(4450MeV)在統計學的顯著性差異分別為9 σ與12 σ,總合起來為15 σ ,足夠證實這發現。更多數據分析還排除了這是由普通粒子造成的效應的可能性。[14]LHCb實驗又觀測到兩個五夸克態都強烈地衰變為J/ψp,因此可推論其價夸克擁有兩個上夸克、一個下夸克、一個魅夸克與一個反魅夸克;標記為uudcc,它們是一種魅偶素-五夸克粒子。[4][5][15]

LHCb的主要任務是研究物質-反物質不對稱性,而不是探索研究五夸克粒子。[16]歐洲核子研究組織發言人表示,「我們並沒有積極地尋找它,我們意外地找到了它。」[7]

應用[编辑]

五夸克粒子的發現讓物理學者能夠更細緻地研究強作用力,從而助益對於量子色動力學的了解。另外,當今理論意味著,當有些非常巨大恆星塌縮時,會製成五夸克粒子,對於五夸克的研究或許可以幫助人們了解中子星的物理。[5]

參見[编辑]

註釋[编辑]

  1. ^ 這結果尚未經過同行評議,所以仍舊歸類為假想粒子。
  2. ^ 重子有三個夸克,介子有兩個夸克。
  3. ^ 色荷與日常顏色無關,它們只是一種標籤,專門用來幫助描述與了解色荷的概念。

參考文獻[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 H. Muir. Pentaquark discovery confounds sceptics. New Scientist. 2 July 2003 [2010-01-08]. 
  2. ^ K. Hicks. Physicists find evidence for an exotic baryon. Ohio University. 23 July 2003 [2010-01-08]. 
  3. ^ 3.0 3.1 See p. 1124 in C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of particle physics. Physics Letters B. 2008, 667 (1-5): 1. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 R. Aaij et al. (LHCb collaboration). Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0
    b
    →J/ψK
    p decays. arXiv:1507.03414 [hep-ex]. 2015.
     
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 I. Sample. Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks. The Guardian. 14 July 2015 [2015-07-14]. 
  6. ^ 6.0 6.1 J. Pochodzalla. Duets of strange quarks. Hadron Physics. 2005: 268. ISBN 161499014X. 
  7. ^ 7.0 7.1 G. Amit. Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter. New Scientist. 14 July 2015 [2015-07-14]. 
  8. ^ Gell-Mann, Murray. A Schematic Model of Baryons and Mesons. Phys. Lett. 1964, 8 (3): 214–215. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3. 
  9. ^ Strottman, D. Multiquark baryons and the MIT bag model. Phys. Rev. D. 1979, 20 (3): 748–767. doi:10.1103/PhysRevD.20.748. 
  10. ^ Kandice Carter. The Rise and Fall of the Pentaquark. Symmetry Magazine. 2006, 3 (7): 16. 
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of particle physics: Θ+
    . Journal of Physics G. 2006, 33: 1. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001.
     
  12. ^ D. Diakonov, V. Petrov, and M. Polyakov. Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons. Zeitschrift für Physik A. 1997, 359 (3): 305. arXiv:hep-ph/9703373. Bibcode:1997ZPhyA.359..305D. doi:10.1007/s002180050406. 
  13. ^ T. Nakano et al. (LEPS Collaboration). Evidence of the Θ+ in the γd→K+Kpn reaction. Physical Review C. 2009, 79 (2): 025210. arXiv:0812.1035. Bibcode:2009PhRvC..79b5210N. doi:10.1103/PhysRevC.79.025210. 
  14. ^ Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in Λ0
    b
    →J/ψpK decays
    . CERN/LHCb. 14 July 2015 [2015-07-14].
     
  15. ^ P. Rincon. Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle. BBC News. 14 July 2015 [2015-07-14]. 
  16. ^ Where has all the antimatter gone?. CERN/LHCb. 2008 [2015-07-15]. 

延伸閱讀[编辑]