物理學家們復活了一種可能存在於大爆炸後最初炙熱時刻的粒子。它被神秘地稱為 Zc(3900)，是第一個被確認由四個夸克組成的粒子，而夸克是宇宙中大部分物質的組成部分。
到目前為止，觀察到的由夸克組成的粒子只包含三個夸克（例如質子和中子）或兩個夸克（例如在宇宙射線中發現的π介子和K介子）。儘管沒有物理定律禁止更大的聚集，但找到四重奏擴大了夸克可以組合在一起形成奇異物質的方式。
“這個粒子的出現令人驚訝，”北京高能物理研究所的粒子物理學家劉志青說，他是貝爾合作組織成員，該合作組織是本週在《物理評論快報》上發表論文的兩個聲稱發現該粒子的團隊之一。
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貝爾探測器位於日本筑波市的高能加速器研究機構（KEK），它監測高強度電子束及其反物質對應物正電子之間的碰撞。這些碰撞的能量是世界最強大的加速器，即位於瑞士日內瓦附近歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的千分之一，但它們仍然足夠強大，可以模擬早期宇宙的條件。KEK 的碰撞率是 LHC 的兩倍以上，它們偶爾會產生今天自然界中找不到的稀有粒子——瞬間存在然後分解的短暫生物。
一些亞原子碎片與人們期望的包含四個夸克結合在一起的粒子分解後產生的碎片相符：兩個特別重的“粲”夸克和兩個較輕的夸克，它們賦予該粒子電荷。貝爾團隊掌握了 159 個這樣的 Zc(3900) 粒子，報告稱，其結果是統計學上的偶然事件的機率小於 1/350 萬。“他們有明確的證據表明存在一個含有四個夸克的粒子，”羅馬薩皮恩扎大學的粒子物理學家裡卡多·法奇尼說。
圖片來源：《自然》雜誌
北京正負電子對撞機上的北京譜儀 III（BESIII）的第二個實驗也證實了這個新粒子的存在。BESIII 從 10 萬億次電子-正電子碰撞中篩選出 307 個 Zc(3900) 粒子。
“這為貝爾看到的所有其他粒子提供了可信度，”夏威夷大學馬諾阿分校的粒子物理學家、BESIII 的發言人弗雷德·哈里斯說。2008 年，貝爾發現了另一個四夸克候選者，2011 年，它看到了另外兩個粒子，它們可能由四個“底”夸克組成——但沒有其他粒子對撞機證實了這些發現。
沒有人質疑最新粒子中的夸克數量。更具爭議的是它們的排列方式，這可能會對量子色動力學產生影響，量子色動力學是描述連線夸克的強力的理論。理論家主要分為兩個陣營。
一方認為該粒子實際上是兩個普通粒子（稱為介子）的結合體，介子包含一個夸克和一個反夸克。Zc(3900) 粒子可能由兩個介子組成，它們通過鬆散的連線結合在一起，形成類似分子的結構（見“夸克湯”）。
其他理論家暫時將新粒子標記為真正的四夸克——四個夸克緊密地結合在一起形成一個緊湊的球。在球內，兩個夸克結合在一起，兩個反夸克也結合在一起。這種配對在任何已知的粒子中都不會發生，因此將引入新的物質組成部分，並有可能指導旨在計算夸克可以形成的所有結構的計算機模擬。
四夸克理論的支持者指出，由介子組成的“分子”應該很容易分裂成兩半，並且這種分解沒有出現在資料中。“沒有看到分子的特徵，這有利於四夸克的觀點，”德國漢堡的德國高能物理實驗室 DESY 的粒子物理學家艾哈邁德·阿里說。但實驗的誤差幅度仍然太大，無法排除分子介子分解的可能性。測試這兩種理論的另一種方法是尋找每種理論都預測應該存在的其他粒子。
為了結束這場辯論，BESIII 的研究人員正在繼續挖掘自 12 月和 1 月第一次實驗執行以來收集的資料。根據他們的發現，Zc(3900) 的揭秘可能要等到計劃於 2015 年上線的新型更強大的貝爾探測器。