編者注：以下文章經許可轉載自對話，這是一個涵蓋最新研究的線上出版物。
自從2012年壯觀地發現了希格斯玻色子以來，位於日內瓦郊外的大型強子對撞機 (LHC) 的物理學家們在尋找新粒子方面遭遇了一點點“乾旱”。令人欣慰的是，LHCb合作組，他們執行著LHC的四個大型實驗之一，宣佈了迄今為止從27公里長的超級對撞機中得出的最令人興奮的觀測結果之一——一種無法用當前理論解釋的奇異粒子。
在20世紀30年代早期，物理學家們對構成我們世界的亞原子粒子有一個清晰的認識。每個已知的原子在其中心都有一個微小的原子核，周圍環繞著一團電子，而每個原子核都由不同數量的質子和中子構成。然而，隨著幾十年過去，許多新的、有些不受歡迎的粒子被發現，最初是在研究來自外太空粒子的探測器中，後來在粒子對撞機實驗中被發現。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過 訂閱來支援我們屢獲殊榮的新聞報道。透過購買訂閱，您正在幫助確保關於塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
到了20世紀50年代，已經發現了數十種顯然是基本粒子的粒子，這讓經常以無法記住事實列表為榮的物理學家感到沮喪。著名的物理學家恩里科·費米也許最好地表達了他的同事們當時的心情，他曾說過一句臭名昭著的話：
“年輕人，如果我能記住這些粒子的名字，我早就成為植物學家了。”
1950年代，物理學家們提出了一個新的模型，解釋了大多數這些粒子是由少數真正基本粒子構成的，這帶來了幫助。借用詹姆斯·喬伊斯的《芬尼根的守靈夜》（一本比量子場論更難理解的書）中的一句話，默裡·蓋爾曼將這些新粒子稱為“夸克”。
到20世紀60年代後期，夸克的存在已經得到了實驗驗證。我們現在知道，總共有六種夸克——上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克，以及六種反夸克（它們的反物質副本）。
夸克模型巧妙地解釋了所有這些奇特的粒子。質子、中子和其他許多粒子都是由三個夸克組成的，屬於一個稱為重子的家族。或者，一個夸克和一個反夸克可以配對形成一個介子。
從那時起，夸克模型就非常成功，現在是我們理解粒子物理學的基石。直到千禧年之交，一些奇怪的結果才開始暗示該模型可能不完整。直到2003年，夸克才被看到成對或成三重出現，但隨後一些看起來像是四個夸克組合的粒子開始顯現出來。
2008年，日本的貝兒合作組報告說，他們觀察到一種新的奇異粒子——不幸地被命名為Z(4430)–（其中–表示它的負電荷）。它的質量使其位於密集的粲偶素態森林中——這些粒子是由一個粲夸克和一個粲反夸克組成的。但至關重要的是，Z是帶電的，而所有粲偶素態必須是中性的，這清楚地表明它是不尋常的。
在仔細分析了2011年和2012年LHC中180萬億次碰撞產生的25,000個介子衰變的資料後，新的公告以極高的置信度證實了Z(4430)–的存在。該粒子的觀測具有13.9 σ的壓倒性顯著性，遠高於宣佈發現所需的通常的5 σ閾值。LHCb還比貝兒更進一步，測量了Z(4430)–的自旋和宇稱，這兩個量子力學特性可以很好地把握粒子的內部構成。
LHCb的觀測非常重要，因為很少有物理學家會在兩個獨立的實驗中看到結果之前認真對待該結果。這就是為什麼花費數億歐元在LHC建造兩個大型探測器的原因。兩個獨立的團隊ATLAS和CMS對希格斯玻色子的觀測真正說服了科學界該粒子的真實性。
這個結果是迄今為止四夸克存在的最明確的證據——四夸克態，LHCb的分析表明，Z(4430)–最有可能由一個粲夸克、一個反粲夸克、一個下夸克和一個反上夸克組成。理論家現在可以將一種全新的粒子新增到夸克模型中，並開始努力嘗試理解這四個夸克是如何結合在一起的。
與此同時，在LHC實驗中工作的物理學家將繼續探索亞原子世界的未知的區域，希望發現這個奇異新家族的更多成員。既然我們知道至少有一個存在，那麼Z(4430)–很可能不是孤獨的。
哈里·克利夫隸屬於劍橋大學、歐洲核子研究中心和LHCb實驗。