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几十年前预言的粒子,如今首次被发现

千百年来,物理学家们一直在思考着一个终极谜题:物质的本质是什么?

今天我们已经知道,大到宇宙中的星系,小到你口中的一粒大米,甚至是看不见的细菌病毒,都是由各种原子、分子或者离子构成的,而这些粒子说到底,都是由质子、中子和电子构成。

几十年前预言的粒子,如今首次被发现

对于中学生来说,质子和中子就是最小的粒子了。但是我们知道,质子和中子也都是由更小的粒子构成,那就是夸克,而夸克才属于所谓的基本粒子。

夸克与强相互作用

夸克一共有六种,分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克以及底夸克。其中质子是由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成,夸克之间由一种叫做胶子的粒子相互束缚在一起。

说起来,胶子和光子有一点类似,它们都是玻色子,也就是自旋为0的粒子。同时,它们都能够传递一种最基本的作用力,比如光子传递的就是电磁力,而胶子能够束缚夸克,因此它传递的力就是强相互作用,这就是所谓的量子色动力学。

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然而强相互作用与电磁力又有着本质上的不同,比如前者是短程力,而后者是长程力。还有一点非常怪异,那就是电磁力随着两个相互作用的物质距离的增加而减弱,这一点我们平时都能够理解;然而强相互作用恰好相反,随着两个夸克之间距离的增大,这种作用力会以更大的幅度增加。

因此,直到今天也没有人能够真的将两个夸克分开,单独观测其中的一个。这种现象叫做夸克禁闭,意味着夸克永远都只能被束缚在一种名为强子的亚原子粒子中。质子和中子都是典型且大家都比较熟悉的强子,此外科学家们还发现了许多平常我们根本没听说过的强子。

当然,单独的夸克也不是从来没出现过。在宇宙大爆炸刚刚发生之后不久,由于温度过高,夸克之间也无法稳定地结合在一起,因此就形成了所谓的夸克汤状态。

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被撞碎的粒子

如今,在人类强大的科技下,夸克也会有那么一瞬间会出现分离的情况,那就是在粒子对撞机中。在瑞士日内瓦的地下,坐落着世界上最强大的粒子对撞机,那就是欧洲核子研究组织的大型强子对撞机。在这里,亚原子粒子可以被加速到接近光速,然后通过碰撞,给我们提供研究基本粒子的绝佳机会。

而在这种情况下,奇怪的事情就会发生。

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我们知道,宇宙中除了物质之外还有反物质存在,每一种夸克也有对应的反夸克。当大型强子对撞机里的质子中有一个夸克被炸出来时,强大的能量还会导致一个夸克-反夸克对出现,而新产生的夸克会进入到质子中让质子恢复原来的状态,而反夸克就会和那个夸克相结合,形成另一种亚原子粒子——介子。

原来,夸克之间的组合,还可以产生这样的粒子。

几十年前预言的粒子,如今首次被发现

实际上,夸克的不同组合,可以产生出各种各样的亚原子粒子。早在夸克刚刚被发现的时候,科学家们就已经预言了:夸克与反夸克可以组合成介子、三个夸克可以组成重子(比如质子和中子)、三个反夸克的组合就是反强子,他们甚至预言了两个夸克和两个反夸克组成的四夸克态、四个夸克与一个反夸克组成的五夸克态(只要夸克数减去反夸克数后是3的倍数)……

然而,在相当长的时间里,科学家们都只是通过大型强子对撞机制造出了各种各样的强子和介子,直到2003年的时候,日本的贝尔实验发现了一种全新的粒子,这也就是人类首次发现的四夸克态粒子。2015年,科学家们在大型强子对撞机中制造出了五夸克态粒子。

那些在教科书中“预言”了几十年的粒子,如今终于被科学家们发现了。

几十年前预言的粒子,如今首次被发现

新的粒子,新的问题

但是,对于五夸克态,科学家们还有些疑问。它真的是一个包含着五个夸克的亚原子粒子吗?有人认为是肯定的,它就是一种和质子、中子一样的独立强子。

不过,也有一些人提出了不同的看法,他们认为五夸克太其实是一个介子与一个质子组成的一种特殊粒子,或者说是一种特殊的“分子”,而被我们误认为是五个夸克被束缚在了一起。

几十年前预言的粒子,如今首次被发现

(图片说明:五夸克态也有可能是一个介子和一个质子组成的特殊粒子)

实际上,科学家们对于夸克组成的亚原子粒子还有很多不明白的地方。

到目前为止,算上最近发现的四个新的强子(包括四夸克态粒子、介子和重子),大型强子对撞机已经发现了共计59个不同的强子。从这些强子中,科学家们似乎发现了物理学上允许什么样的夸克组合存在(哪怕只是一瞬间),同时又拒绝哪种夸克组合的出现。

比如说,这些强子中普遍都含有粲夸克或者底夸克这种比较重的夸克。尤其是在四夸克态和五夸克态中,除了一个特殊情况外,其他普遍都包含一个粲夸克对。而奇怪的是,没有任何相应的粒子中包含奇夸克,搞得好像它是被歧视的“歧”夸克……

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(图片说明:大型强子对撞机发现的59种粒子)

对于每一个新发现的强子,科学家们都能够测量出它的质量和其他一些属性,这对于他们了解这种粒子以及涉及到的强相互作用有着重要的帮助。随着被发现的强子越来越多,科学家们也将可以更好地找到理论与实验之间的差异,从而调整相应的模型。

付出了这么多,科学家们最终的目的就是——建立超越标准模型的物理学。目前来说,标准模型仍然是科学家们的参考,然而它也存在着很多的问题,比如和宇宙模型有着一些分歧,无法解释宇宙的形成过程。科学家们相信,对于几乎是无限大的宇宙来说,它最深层的秘密反而隐藏在最小的微观粒子中。我们期待着大型强子对撞机以及世界其他的粒子对撞机能够在未来取得越来越多的突破。宇宙的终极秘密,或许就等着它们去揭开了。

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