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在瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機 (LHC) 內部出現了兩種由奇異型別的夸克構成的新粒子。這些粒子是前所未見的重子種類——重子是包括原子內部常見的質子和中子的粒子類別。人們早就預言了新重子的存在，但它們的具體特徵，例如它們的質量，直到在現實中被發現才為人所知。新的測量結果有助於證實和改進現有的亞原子粒子理論，併為包含更多奇異粒子的更深層次理論鋪平道路。
對撞機的大型強子對撞機美 (LHCb) 實驗的科學家們在 2 月 10 日在物理評論快報上報告了重子的發現，這些重子被稱為 Xib'- 和 Xib*-（發音為“zi-b-prime”和“zi-b-star”）。（他們在 11 月份在 arXiv 伺服器上釋出了論文的預印本。）“這是非常應該存在的兩件事，”該研究的合著者、巴黎第六大學皮埃爾和瑪麗·居里大學的馬修·查爾斯說。“當然，你仍然需要檢查，因為偶爾你會得到驚喜。”這兩種粒子都包含一個美夸克或 b 夸克、一個奇異夸克和一個下夸克。這些粒子彼此之間，以及之前在 LHC 發現的同三種夸克的另一種組合之間的區別在於夸克自旋的排列方式。
量子自旋
自旋是任何粒子固有的基本量子特徵之一，其單位量是離散的，沒有單位。所有夸克的自旋都是二分之一。當同一粒子內部的兩個夸克沿同一方向旋轉時，它們的自旋會加在一起；當它們沿相反方向旋轉時，它們的自旋會相互抵消。自旋就像磁鐵一樣，同性相斥，因此夸克傾向於沿相反方向旋轉。需要額外的能量才能使兩個夸克沿同一方向自旋。Xib 粒子的最低能量構型是兩個最輕的夸克（下夸克和奇異夸克）反向排列，它們的自旋相互抵消為零，而重的 b 夸克沿任一方向自旋，增加二分之一的自旋，總自旋為二分之一。這個基態，稱為 Xib*0，於 2012 年在 LHC 被發現。
新發現的兩個重子是更高能量的構型。這兩個最輕的夸克的自旋都是平行的，加在一起的總自旋為 1。Xib'- 的 b 夸克的自旋與這兩個夸克的自旋相反，使粒子的總自旋為二分之一（1 減去二分之一）。在 Xib* 中，所有三個夸克的自旋都對齊，使其總自旋為 1 和二分之一。這種三向對齊需要任何構型中最大的能量，導致 Xib* 成為三種狀態中最重的。
在發現粒子之前，物理學家根據一種名為量子色動力學 (QCD) 的理論估計了它們的質量，該理論描述了將夸克結合在一起的強力——自然的四種基本力之一。強力由稱為膠子的粒子攜帶，因此在任何由強力結合在一起的粒子內部也會存在膠子。除了主要的夸克和膠子之外，成對的“虛”夸克和反夸克（夸克的反物質對應物）不斷地出現和消失。這個粒子動物園使得基於 QCD 的計算變得極其困難，以至於質量估計只能透過運行復雜模擬的強大超級計算機來完成，這些模擬旨在考慮粒子的所有組成部分。“我們應該有一個理論告訴我們這些粒子應該如何表現，原則上它應該開啟新的大門。但在實踐中，我們的計算能力非常有限，”馬薩諸塞理工學院的理論物理學家弗蘭克·維爾切克說，他因幫助制定 QCD 而獲得諾貝爾獎。
新的 LHCb 測量結果與 Xib 質量的最佳 QCD 預測一致。“這證實了理論方法是正確的，並且我們可以控制計算，”加拿大粒子物理實驗室 TRIUMF 的理論家理查德·沃洛申說，他於 2009 年發表了對 Xib 質量的預測。這些測量結果將作為新的資料點來錨定理論。“我們需要更多例子來測試計算方法並探索不同的方法可以教給我們什麼，”維爾切克說。“這個系統將幫助我們改進這些技術。”
測試標準模型
到目前為止，新發現的重子根據 QCD 以及更大的物理學“標準模型”表現出來，該模型描述了宇宙中所有已知的粒子。然而，科學家們知道，標準模型不可能是最終的定論，因為它沒有解釋暗物質——宇宙中似乎使正常物質相形見絀的隱形物質。透過對標準模型的所有預測進行越來越精確的測量，研究人員希望最終找到裂縫，從而找到取代它更大的理論的途徑。“這兩個粒子本身是完全符合標準模型並且是預期的，”查爾斯說，“但我們希望我們能夠在長期內在此基礎上超越標準模型。”
像在 LHC 發現的所有新物種（包括著名的希格斯玻色子）一樣，Xib 粒子是在加速器 27 公里地下環中高速質子碰撞後產生的。當質子瓦解時，它們的質量和能量會轉化為新的粒子。碰撞能量越高，新出現的粒子就越重。今年春天，在進行了兩年的升級暫停後，LHC 將以比以往更高的能量重新啟動。與早期執行相比，更高的能量應該允許更多更重的粒子出現，有可能揭示最終突破標準模型限制的奇異粒子。