五夸克态
五夸克粒子是一种次原子粒子,属于奇异强子。五夸克粒子有五个夸克[注 1]。更详细地说,是四个夸克和一个反夸克(表示他的重子数为1)。虽然物理学者预言五夸克粒子存在已很多年了,五夸克态显然很不容易被发现。有些物理学者甚至提议,某种未知自然定律阻止五夸克粒子的出现。[1]
2000年代,曾经有几个实验报告发现五夸克态的存在[2],但对于这些实验所获得的数据做重新分析,再加上对于后来完成的实验做分析,所得到的结论是,这些先前得到的结果都是统计效应,而不是真实的共振[3]。2015年7月13日,欧洲核子研究组织的LHCb实验团队报告,在底Λ粒子 (Λ0
b)的衰变反应中,发现了五夸克态,[4]但这结果尚未经过同行评议。2019年3月26日,LHCb宣布他们发现了新的五夸克态。[5]2022年7月5日,LHCb又宣布他们发现了五夸克态PΛ
ψs(4338)0[注 2]。[6]
在粒子物理学实验室之外,五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的过程中自然制成。[7]对于五夸克粒子的研究或许可以帮助洞悉这些恒星怎样形成,也可以让物理学者更加了解强相对作用。
概述
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/cd/Pentaquark.svg/200px-Pentaquark.svg.png)
c示意图,显示出每一个夸克的风味与一种可能的颜色组合。
夸克是一种基础粒子,它拥有质量、电荷、色荷性质,还拥有给出夸克种类(上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克)的风味性质。由于夸克禁闭效应,夸克从未被观测到单独存在。几个夸克可以共同组成复合粒子,称为强子。由一个夸克与一个反夸克共同组成的强子称为介子。由三个夸克组成的强子称为重子。物理学者知道很多关于这些普通强子的性质和行为。没有任何理论规定禁止夸克组成奇异强子,例如,由两个夸克与两个反夸克组成的四夸克粒子,由四个夸克与一个反夸克组成的五夸克粒子。[1]
五夸克粒子有很多不同种类,不同的夸克组合会组成不同的粒子。物理学者使用符号qqqqq来标记五夸克粒子,其中,q与q分别标记夸克与反夸克。符号u、d、s、 c、b、t分别标记上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克;符号u、d、s、c、b、t分别标记对应的反夸克。例如,由两个上夸克,一个下夸克,一个魅夸克,一个反魅夸克组成的五夸克粒子标记为uudcc。
在五夸克粒子里,夸克被强作用力束缚在一起,强作用力能够促使所有色荷相互抵销。更仔细说,在介子里,夸克必须与反色荷的反夸克配对在一起,例如,蓝色夸克与反蓝色反夸克;在重子里,三个夸克必须从三种色荷中各自选择不同的色荷,例如,红色、蓝色与绿色。[注 3]在五夸克粒子里,色荷必须相互抵销。唯一可行的组合是设定一个夸克为某颜色,另一个夸克为另一种颜色,另两个夸克为第三种颜色,最后一个夸克为第三种颜色的反颜色。[8]
物理学者尚不清楚五夸克粒子的束缚机制,可能是五个夸克紧紧地束缚在一起,也可能是一个重子与一个介子松松的束缚在一起。[9]
历史
[编辑]理论预言
[编辑]默里·盖尔曼于1964年最早提议奇异强子存在。1979年,丹尼尔·斯特劳曼给出模型描述由四个夸克与一个反夸克组成的强子。[10][11][4]
1997年,俄罗斯圣彼得堡科学院核物理学院的理论物理学者马克沁·波利亚科夫、维克托·佩特罗夫和德米特里·帝雅克诺夫预言由两个上夸克、两个下夸克与一个奇夸克组成的五夸克粒子存在,并将这种粒子命名为
Θ+
。它的质量约为1530MeV、宽度约为15MeV,比较特别的性质是它的奇异数为1,做实验可以很容易从奇异数辨识出这粒子的存在。[12][13]
2000年代中期
[编辑]由于五夸克粒子必须拥有一个反夸克,假若反夸克的风味匹配任何其它夸克的风味,这夸克-反夸克对会相互抵销,因此五夸克粒子会貌似它的三夸克重子,所以许多种类的五夸克粒子都很难在实验里辨识出来。为了避免这问题,早期五夸克粒子探索实验会寻找夸克-反夸克对不相互抵销的粒子。[8]在2000年代中期,有几个实验声称,揭露了五夸克态。特别是2003年在日本春天八号同步辐射设施完成的“春天八号激光电子光子实验”(LEPS实验)显示出质量为1540MeV的共振态,显著性差异为4.6 σ[13]。这实验得到的结果跟1997年波利亚科夫等的理论预言相符合。[14]
在此之后,又有九个独立实验发布报告表示,观测到
n
K+
与
p
K0
的狭窄峰值,质量在与 1522 MeV/c2之间, 1555 MeV/c2显著性差异都超过4 σ[13]。虽然对于这些实验结果的正确性仍旧存有质疑,在2004年《粒子物理学评论》里,粒子数据小组给予
Θ+
三颗星评估,最高是四颗星。另外还有两个五夸克态被观察到,它们是质量分别为、 1860 MeV的 3099 MeV
Φ−−
(ddssu)与
Θ0
c (uuddc)。它们后来都被更正为统计效应,而不是真实共振态。[13]
在LEPS实验之后,约有十个独立实验试图寻找
Θ+
,但都未获成功。其中两个实验(一个在BELLE,另一个在CLAS)分别与先前声称观测到
Θ+
粒子的两个实验(DIANA实验与SAPHIR实验)几乎相同。[13]2006年《粒子物理学评论》总结,[13]
曾经声称观测到
Θ+
的每一个原本实验,都尚未获得高统计量确认。杰佛逊实验室完成两个高统计量重复实验,它们明确地证实,原本两个声称观测到
Θ+
的实验都不正确。另外,还有一些已完成的高统计量实验,它们都没有找到
Θ+
的蛛丝马迹。关于另外两个声称观测到
Θ+
五夸克态的实验,所有尝试确认那些结果的实验都获得负结果。一般而言,五夸克粒子不存在;特别而言,
Θ+
不存在。这结论显得很有说服力。
2008年《粒子物理学评论》更进一步表示,[3]
近期有两个或三个实验对于在标称质量附近获得薄弱的信号证据,但鉴于压倒性的证据声称五夸克粒子不存在,将它们胪列出来是毫无意义的……整个故事──发现本身、紧跟著像涨潮般的论文、最终的退潮发现──在科学历史上是一集相当古怪的连续剧。
尽管有那么多显目的零结果,LEPS团队于2009年仍旧表示,在质量为±4 MeV之处观测到狭窄态存在, 1524显著性差异为5.1 σ。[15]针对这争论,那时期有很多实验如火如荼地进行著。
2015年LHCb结果
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/31/Pentaquark-Feynman.svg/200px-Pentaquark-Feynman.svg.png)
b衰变为K介子K−
与一个五夸克粒子P+
c。
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/44/J-psi_p_pentaquark_mass_spectrum.svg/200px-J-psi_p_pentaquark_mass_spectrum.svg.png)
b→J/ψK−
p衰变的J/ψp不变质量谱的拼凑结果,每一个拼凑部分都被单独展示出来。五夸克粒子贡献出的拼凑部分展示为画斜线的直方图。
2015年7月13日,LHCb实验团队在Λ0
b→J/ψK−
p衰变道辨识出五夸克粒子;在这衰变道里,底Λ粒子 (Λ0
b)衰变为一个J/ψ介子(J/ψ)、一个K介子 (K−
)与一个质子(p)。实验数据显示,有时候,底Λ粒子不会通过Λ*居间态衰变为一个K介子 (K−
)与一个质子(p),而会间接地通过五夸克居间态P+
c;两个被发现的居间态P+
c(4380MeV)与P+
c(4450MeV)在统计学的显著性差异分别为9 σ与12 σ,总合起来为15 σ ,足够证实这发现。更多数据分析还排除了这是由普通粒子造成的效应的可能性。[16]LHCb实验又观测到两个五夸克态都强烈地衰变为J/ψp,因此可推论其价夸克拥有两个上夸克、一个下夸克、一个魅夸克与一个反魅夸克;标记为
u
u
d
c
c
,它们是一种魅偶素-五夸克粒子。[4][7][17]
LHCb的主要任务是研究物质-反物质不对称性,而不是探索研究五夸克粒子。[18]欧洲核子研究组织发言人表示,“我们并没有积极地寻找它,我们意外地找到了它。”[9]
2019年根据2015-2018年LHCb的数据观察到新的五夸克粒子,新粒子为P+
c(4312MeV),会衰减成一个质子和一个J/ψ介子(由一个粲夸克和反粲夸克构成)。并观测到2015年发现的五夸克结构P+
c(4450MeV)实际上是由两个质量相近的共振态P+
c(4440MeV)和P+
c(4457MeV)叠加而成。最新观察的统计显著性达到了 7.3 σ,远远超过了 5 σ这个阈值。这三个五夸克态的宽度都很窄,质量略低于Σ+
cD0
和Σ+
cD*0
质量之和,有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态,它们为重子和介子分子态的存在提供了迄今为止最有力的实验证据。[19][来源可靠?讨论]
2022年7月欧洲核子研究中心(CERN)LHCb合作组宣布发现一种新的粒子Pcs(4459)0,其夸克组分为 usdcc。
应用
[编辑]五夸克粒子的发现让物理学者能够更细致地研究强作用力,从而助益对于量子色动力学的了解。另外,当今理论意味著,当有些非常巨大恒星塌缩时,会制成五夸克粒子,对于五夸克的研究或许可以帮助人们了解中子星的物理。[7]
参见
[编辑]注释
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ 1.0 1.1 H. Muir. Pentaquark discovery confounds sceptics. New Scientist. 2 July 2003 [2010-01-08]. (原始内容存档于2015-07-12).
- ^ K. Hicks. Physicists find evidence for an exotic baryon. Ohio University. 23 July 2003 [2010-01-08]. (原始内容存档于2016-09-08).
- ^ 3.0 3.1 See p. 1124 in C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of particle physics (PDF). Physics Letters B. 2008, 667 (1-5): 1 [2015-07-15]. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. (原始内容存档 (PDF)于2017-02-01).
- ^ 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. Physical Review Letters. 2015, 115 (7). doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001. - ^ LHCb experiment discovers a new pentaquark. CERN. 26 March 2019 [26 April 2019]. (原始内容存档于2021-03-05).
- ^ Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.. July 5, 2022 [July 5, 2022]. (原始内容存档于2022-09-26).
- ^ 7.0 7.1 7.2 I. Sample. Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks. The Guardian. 14 July 2015 [2015-07-14]. (原始内容存档于2020-11-08).
- ^ 8.0 8.1 J. Pochodzalla. Duets of strange quarks. Hadron Physics. 2005: 268. ISBN 161499014X.
- ^ 9.0 9.1 G. Amit. Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter. New Scientist. 14 July 2015 [2015-07-14]. (原始内容存档于2020-11-08).
- ^ Gell-Mann, Murray. A Schematic Model of Baryons and Mesons (PDF). Phys. Lett. 1964, 8 (3): 214–215 [2015-07-18]. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3. (原始内容存档 (PDF)于2019-07-24).
- ^ Strottman, D. Multiquark baryons and the MIT bag model. Phys. Rev. D. 1979, 20 (3): 748–767. doi:10.1103/PhysRevD.20.748.
- ^ Kandice Carter. The Rise and Fall of the Pentaquark. Symmetry Magazine. 2006, 3 (7): 16 [2015-07-16]. (原始内容存档于2020-09-30).
- ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of particle physics:
Θ+
(PDF). Journal of Physics G. 2006, 33: 1 [2015-07-17]. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. (原始内容存档 (PDF)于2018-12-21).
- ^ D. Diakonov, V. Petrov, and M. Polyakov. Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons. Zeitschrift für Physik A. 1997, 359 (3): 305. Bibcode:1997ZPhyA.359..305D. arXiv:hep-ph/9703373
. doi:10.1007/s002180050406.
- ^ T. Nakano et al. (LEPS Collaboration). Evidence of the Θ+ in the γd→K+K−pn reaction. Physical Review C. 2009, 79 (2): 025210. Bibcode:2009PhRvC..79b5210N. arXiv:0812.1035
. doi:10.1103/PhysRevC.79.025210.
- ^ 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]. (原始内容存档于2017-12-16). - ^ P. Rincon. Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle. BBC News. 14 July 2015 [2015-07-14]. (原始内容存档于2015-07-14).
- ^ Where has all the antimatter gone?. CERN/LHCb. 2008 [2015-07-15]. (原始内容存档于2020-04-04).
- ^ 存档副本. [2019-03-30]. (原始内容存档于2020-11-12).
延伸阅读
[编辑]- David Whitehouse. Behold the Pentaquark (BBC News). BBC News. 1 July 2003 [2010-01-08]. (原始内容存档于2008-12-05).
- Thomas E. Browder, Igor R. Klebanov, Daniel R. Marlow. Prospects for Pentaquark Production at Meson Factories. Physics Letters B. 2004, 587: 62. Bibcode:2004PhLB..587...62B. arXiv:hep-ph/0401115
. doi:10.1016/j.physletb.2004.03.003.
- Akio Sugamoto. An Attempt to Study Pentaquark Baryons in String Theory. 2004. arXiv:hep-ph/0404019
|class=
被忽略 (帮助). - Kenneth Hicks. An Experimental Review of the
Θ+
Pentaquark. Journal of Physics: Conference Series. 2005, 9: 183. Bibcode:2005JPhCS...9..183H. arXiv:hep-ex/0412048. doi:10.1088/1742-6596/9/1/035.
- Mark Peplow. Doubt is Cast on Pentaquarks. Nature. 18 April 2005. doi:10.1038/news050418-1.
- Maggie McKie. Pentaquark hunt draws blanks. New Scientist. 20 April 2005 [2010-01-08]. (原始内容存档于2008-10-04).
- Jefferson Lab. Is It Or Isn't It? Pentaquark Debate Heats Up. Space Daily. 21 April 2005 [2010-01-08]. (原始内容存档于2020-03-12).
- Dmitri Diakonov. Relativistic Mean Field Approximation to Baryons. European Physical Journal A. 2005, 24: 3. Bibcode:2005EPJAS..24a...3D. doi:10.1140/epjad/s2005-05-001-3.
- Schumacher, R. A. The Rise and Fall of Pentaquarks in Experiments. AIP Conference Proceedings. 2006, 842: 409. arXiv:nucl-ex/0512042
. doi:10.1063/1.2220285.
|