物理學家在本週於威尼斯舉行的一次會議上宣佈，他們在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心使用大型強子對撞機 beauty (LHCb) 實驗發現了一種新型重粒子。
這種粒子被稱為 Xi-cc++（發音為“克西-CC 加加”），由三個更小的基本粒子——夸克組成，具體來說，是一個較輕的“上”夸克（類似於質子和中子中的夸克）以及兩個“粲”夸克，後者是一種更重、更奇異的變體。（“上”和“粲”的 designation 是物理學家根據粒子的不同質量和電荷分配給夸克的六種“味”中的兩種。）粒子物理學的標準模型預測了 Xi-cc++ 和許多其他可能的粒子，它們具有六種已知味的夸克的各種配置。但直到現在，這種“雙粲”粒子才得到確鑿的探測。對新粒子——以及雙粲粒子家族的其他成員——的進一步研究可能會加強標準模型，或在粒子物理學中開闢新的視野。無論如何，新粒子可能成為解鎖對基本“強”力的更深入理解的工具，這種力將夸克結合在一起形成質子和中子，而質子和中子又形成原子——以及行星、恆星、星系和人類。
任何由夸克組成的粒子都稱為強子。世界上最大的、功能最強大的粒子加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機 (LHC) 將這些粒子碰撞在一起，以尋找新的粒子和相互作用。強子分為兩個大的家族：介子，具有一個夸克和一個反夸克的奇異粒子；以及重子，由三個夸克組成的粒子。新的 Xi-cc++ 粒子是一種重子。但由於其雙粲特性，它幾乎比更熟悉的重子（如質子和中子）重四倍，後者完全由輕夸克而不是重夸克組成。“發現雙重重夸克重子非常有趣，因為它將提供一個獨特的工具來進一步探測量子色動力學 [QCD]——描述強[力]的理論，四種基本力之一，”LHCb 發言人喬瓦尼·帕薩萊瓦在一份宣告中說。“因此，這些粒子將幫助我們提高理論的預測能力。”
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質子和中子內輕如羽毛的夸克三重態都以接近光速的速度均勻地相互環繞，這使得它們非常難以研究。在 Xi-cc++ 粒子中，唯一的輕夸克以高速繞較重、移動較慢的重夸克對旋轉，從而創造出一種更容易讓物理學家研究的情況。牛津大學物理學家、前 LHCb 發言人蓋伊·威爾金森說，這種情況大致類似於行星系統，其中輕夸克類似於圍繞一對巨大的恆星執行的行星。
來源：阿曼達·蒙塔內斯
在格拉斯哥大學物理學家帕特里克·斯普拉德林領導下，LHCb 團隊在去年實驗收集的資料中發現了 300 多個新粒子的證據，從 LHC 中高能質子碰撞產生的大量更常見粒子中梳理出它們的訊號。具體來說，他們尋找“子”粒子的明顯分佈，包括其他重子以及 kaons 和 pions——由短壽命 Xi-cc++ 粒子的衰變產生的奇異粒子。他們觀察到的分佈不僅表明 LHC 的碰撞正在產生 Xi-cc++ 粒子，而且暗示其他研究人員之前關於雙粲粒子產生的說法可能是 虛假的。
2002 年，使用伊利諾伊州費米實驗室加速器的 SELEX 實驗的研究人員宣佈他們發現了一種類似的粒子。然而，該探測結果僅略低於無可辯駁的統計顯著性閾值，並且假定粒子的估計質量與預測嚴重不符。在其他設施未能證實結果後，許多理論家開始質疑 該說法。相比之下，LHCb 新發現粒子的訊號“在統計上是壓倒性的，並且與理論預期非常吻合，”威爾金森說。“它看起來、聞起來和嚐起來都像雙粲重子應該有的樣子。”LHCb 團隊的研究結果已提交給《物理評論快報》。
隨著新重粒子的探測牢牢掌握在手中，LHC 的物理學家現在正在生產更多這些粒子，以精確測量它們的壽命，並準確瞭解它們在碰撞中產生的頻率。威爾金森說，接下來，LHCb 實驗將尋找雙粲家族的其他假定成員，例如 Xi-cc+ 和 Omega-cc 粒子。“所有這些結果都可以與預測進行比較，以測試 QCD，”他說。“未來令人興奮！”