一種由五個夸克組成的奇異粒子在實驗似乎排除了其存在十年後被發現。
短壽命的“五夸克”是由研究人員在分析歐洲核子研究中心（CERN）大型強子對撞機（LHC）的LHCb實驗中不穩定粒子的衰變資料時發現的。歐洲核子研究中心是位於日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室。LHCb發言人蓋伊·威爾金森表示，這一發現開啟了物理學家理解將原子核結合在一起的強核力的新時代。
“五夸克不僅僅是任何新粒子——它代表了一種聚集夸克的方式，即普通質子和中子的基本組成部分，以一種以前從未觀察到的模式，”他說。“研究它的性質可能使我們更好地理解普通物質，即構成我們所有人的質子和中子是如何構成的。”
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質子和中子由三種夸克結合而成，但理論家計算出，原則上，粒子可以由多達五個夸克組成。這樣的粒子將是量子色動力學（QCD）——描述將夸克結合在一起的力的理論——的豐富試驗場。
2002年，日本播磨的SPring-8同步加速器研究人員宣佈他們發現了五夸克，大約是質子的1.5倍重，他們從高能光子和中子碰撞的碎片中推斷出它的存在，這引起了轟動。在一年之內，十多個其他實驗室報告透過重新分析資料發現了該粒子的證據。
但許多其他人沒有看到這種狀態的證據，並且在2005年，該發現被宣佈為海市蜃樓。最後的稻草來自弗吉尼亞州紐波特紐斯的托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的一項實驗，該實驗使用更多資料重複了SPring-8的測量，並排除了五夸克的存在。
“奇怪的事件”
此後，該事件一直被認為是科學家如何被資料欺騙，從而看到比實際存在更多的東西的一個例子。2008年，年度《粒子物理學評論》——該學科的官方記錄——將五夸克描述為“科學史上一個奇怪的事件”，其最近的列表不包括該粒子的專門條目。
研究人員表示，這些列表將不得不進行更正，因為LHCb的結果幾乎毫無疑問地表明五夸克是真實存在的。物理學家看到了一個訊號，顯示在分析2009年至2012年間記錄的資料後，在數萬億個被稱為“Λb”重子的亞原子粒子的衰變過程中，意外出現了兩個壽命短暫的物體，重量分別為4.38和4.45吉電子伏特（比質子重4.67和4.74倍）。
在測量了新物體的特性並窮盡了其他已知粒子作為候選者之後，該團隊得出結論，它們對應於兩種不同構型的五夸克。該粒子包含兩個“上”夸克、一個“下”夸克和一個“粲”夸克-反夸克對，使其成為“粲偶素”五夸克。一篇關於該粒子的預印本已釋出在arXiv伺服器上，並已提交給《物理評論快報》發表。
五夸克的困擾
LHCb在紐約錫拉丘茲大學的謝爾頓·斯通說，這個結果最初在2012年引起了LHCb物理學家的注意，當時它只是他們資料中的一個峰值，這完全是一個驚喜。“在過去，我們透過尋找峰值來尋找新粒子，但在這種情況下，是峰值找到了我們！”他說。“我們當時正在研究其他東西，所以起初我們忽略了它。由於歷史原因，我們對‘五夸克’這個詞感到非常困擾，所以我們做了所有可以想象的檢查，”他說。
研究人員對他們的發現非常有信心：他們說，如果不存在新粒子，訊號出現的可能性極小。統計門檻——被稱為9-σ——遠高於粒子物理學中發現所需的通常的5-σ，例如2012年希格斯玻色子的宣佈。
英國牛津大學的理論家弗蘭克·克洛斯說，這個結果可能很有趣，因為它可能揭示更多關於QCD的資訊。“如果我立即感到擔憂，那就是他們聲稱有兩種狀態：這是因為他們發現了一個有利於五夸克產生的過程，還是因為他們沒有真正找到資料的最佳解釋？”他說。
然而，新的五夸克不是2002年看到的那個被稱為θ+的五夸克：它幾乎重三倍，並且包含不同種類的夸克。
“我認為我們的結果將激發對包括被駁斥的θ+在內的許多不同五夸克態的搜尋，”斯通說。“與θ+和其他態的一個重要區別是，我們的五夸克存在粲-反粲夸克，這可能會導致更強的結合。因此，具有這些成分的五夸克可能存在，而具有較輕成分的五夸克可能不存在。”
本文經許可轉載，並於2015年7月14日首次發表。