大型強子對撞機 (LHC) 也是一個大型強子發現者。這座位於瑞士日內瓦附近的原子對撞機最出名的是在 2012 年證實了希格斯玻色子的存在，這一發現為當前基本粒子分類的最後一塊基石奠定了基礎。但 LHC 也捕獲了數十種稱為強子的非基本粒子——這些粒子像質子和中子一樣，由夸克組成。
最新的強子在 7 月 29 日舉行的歐洲物理學會虛擬會議上首次亮相，當時紐約州雪城大學的粒子物理學家伊萬·波利亞科夫公佈了一種以前未知的由四個夸克組成的奇異強子。根據帕特里克·科彭堡（Patrick Koppenburg）（荷蘭國家亞原子物理研究所 Nikhef 的粒子物理學家）的統計，這使 LHC 的強子數量增加到 62 個。“這些都是世界首創，”科彭堡說，他常駐歐洲粒子物理實驗室 CERN，該實驗室是 LHC 的所在地。
被稱為標準模型的既定粒子體系描述了物質的基本組成部分以及作用於它們的基本力。它包括六種夸克味、它們的六種反物質對應物以及幾種其他基本粒子，包括電子和光子。標準模型還包括夸克如何形成稱為強子的複合粒子的規則。夸克透過強核力結合在一起，強核力是四種基本力之一。自然界中最常見的兩種夸克被稱為“上”和“下”；它們的可能組合包括中子（一個上夸克和兩個下夸克）和質子（兩個上夸克和一個下夸克）。
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質子是唯一已知在隔離狀態下穩定的強子——中子僅在摻入原子核時才穩定。所有其他強子都只是在其他粒子的碰撞中短暫形成，並在不到一秒的時間內衰變。因此，LHC 透過引起質子之間的高能正面碰撞來創造新型強子。
夸克四重奏
LHC 的大多數新型強子都是由 LHCb 發現的，LHCb 是容納 LHC 的 27 公里圓形隧道中的四個巨型探測器之一，波利亞科夫宣佈的粒子也不例外。透過篩選質子碰撞碎片的資料，波利亞科夫和他在莫斯科理論與實驗物理研究所的合作者瓦尼亞·別利亞耶夫發現了“四夸克”（一種四夸克強子）Tcc+ 的預期特徵。
四夸克非常不尋常：大多數已知的強子由兩個或三個夸克組成。第一個四夸克於 2003 年在日本筑波的高能加速器研究機構 (KEK) 被發現，LHCb 已經看到了更多。但新的四夸克很奇怪。以前的四夸克很可能是像分子中的原子一樣相互連線的普通夸克雙聯體對，但理論物理學家馬雷克·卡利納認為，最新的四夸克可能是一個真正的、緊密結合的四重體。“這意義重大。這是一個新的動物，而不是強子分子。它是同類中的第一個，”以色列特拉維夫大學的卡利納說，他幫助預測了與 Tcc+ 具有相同性質的粒子的存在，那是在 2017 年。
別利亞耶夫說，在自然界中，四夸克可能只存在於宇宙的最初瞬間，當時所有物質都被壓縮在一個極其狹小的空間裡。但重新創造它們有助於物理學家檢驗他們關於粒子如何透過強核力相互作用的理論。
資料顯示新粒子的特性非常精確，以至於別利亞耶夫驚呆了。“我的第一反應是：這是我的錯誤，”他說。例如，粒子的質量約為質子的 4 倍，其誤差範圍比希格斯玻色子的發現誤差小近 3000 倍。別利亞耶夫補充說，Tcc+ 可能早在 LHC 的早期資料中就已經被發現，但他和他的 LHCb 同事直到現在才發現它，因為他們還有一長串其他粒子要尋找。
無限的可能性
尋找新強子的工作將繼續進行。夸克的數十種組合可以產生強子。卡利納說，有 50 種可能的雙夸克強子，其中除一種外都已被觀察到，還有 75 種可能的夸克三聯體（以及同樣多的反夸克三聯體），其中已觀察到近 50 種。“我們確信所有其他強子都存在，但它們很難製造，”卡利納說。
此外，對於每種夸克組合，幾乎都有無限數量的可能的更重的“激發態”——例如，透過它們的自旋速度來區分——每種都被歸類為單獨的粒子。許多已經在實驗中被發現，事實上，科彭堡目錄中的大多數粒子都是激發態。“誰知道還有多少其他狀態只是隱藏在眾目睽睽之下，坐在筆記型電腦的資料中，”科彭堡說，他和波利亞科夫和別利亞耶夫一樣，都是 LHCb 合作組織的成員。
但他也想知道是否應該將所有這些發現都視為離散粒子。“我越來越相信我們需要更好地定義什麼是粒子，”他說。
本文經許可轉載，最初於 2021 年 8 月 10 日首次發表。