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物理学家刚发现4个新的可以检验自然法则的亚原子粒子

这个月是值得庆祝的月份,欧洲核子研究组织(CERN)刚刚宣布在日内瓦的大型强子对撞机(LHC)中发现了四个全新的粒子。

物理学家刚发现4个新的可以检验自然法则的亚原子粒子

这意味着,自2009年诺贝尔经济学奖获得者希格斯玻色(Higgs boson)开始碰撞质子以来,LHC现在总共发现了59个新的粒子——这些粒子与中子一起组成原子核。

令人兴奋的是,虽然其中一些新粒子是基于我们已建立的理论所期望的,但有些则完全令人惊讶。

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大型强子对撞机的目标是探索实验室中有史以来探测到的最短距离和最高能量的物质结构——测试我们目前最好的自然理论:粒子物理标准模型。大型强子对撞机已经交付了出色成果–它使科学家能够发现希格斯玻色子,这是该模型最后缺失的部分。也就是说,该理论还远远没有被完全理解。

它最麻烦的特征之一是它描述了将原子核保持在一起的强力。原子核由质子和中子组成,质子和中子分别由三个称为夸克的微小颗粒组成(有六种不同的夸克:上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t))。

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如果我们将强力关闭一秒钟,所有物质将立即分解成一堆松散的夸克——这种状态在宇宙开始时就存在短暂的瞬间。

不要误解我们的意思:强相互作用的理论被称为“量子色动力学”,具有坚实的基础。它描述了夸克如何通过交换称为胶子的粒子通过强力相互作用。您可以将胶子视为更熟悉的光子,光粒子和电磁力载体的类似物。

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但是,胶子与夸克的相互作用方式使强力的行为与电磁行为大不相同。当您将两个带电粒子分开时,电磁力会变弱,而当您将两个夸克分开时,强力实际上会变强。

结果,夸克被永远锁在强子粒子中,强子是由两个或多个夸克组成的粒子,其中包括质子和中子。当然,除非您像我们在欧洲核子研究组织(CERN)所做的那样以惊人的速度将它们粉碎开。

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更复杂的是,标准模型中的所有粒子都具有与其自身几乎相同但带有相反电荷(或其他量子性质)的反粒子。如果您将一个夸克从质子中拉出,则最终的力量将足以创建一个“夸克-反夸克”对,而新创建的夸克将进入质子中。

您最终得到一个质子和一个全新的“介子”,该粒子由夸克和反夸克组成。这听起来可能很奇怪,但是根据量子力学,它以最小的尺度控制着宇宙,粒子可以从真空的空间中弹出。

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实验已经反复证明了这一点——我们从未见过一个孤独的夸克。强力理论的一个特征是,电磁学中一个简单过程的计算最终可能变得非常复杂。因此,我们还不能(理论上)证明夸克不能单独存在。

更糟糕的是,我们甚至无法计算出哪些夸克组合实际上是可行的,而哪些则不可行。

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首次发现夸克时,科学家意识到理论上应该有几种组合。这包括成对的夸克和反夸克(介子);三夸克(重子);三个反夸克(antibaryons);两个夸克和两个反夸克(四夸克);以及四个夸克和一个反夸克(五夸克)——只要每种组合中的夸克数减去反夸克数均为三个的倍数即可。

长期以来,实验中仅发现重子和介子。但是在2003年,日本的Belle实验发现了一个不适合任何地方的粒子。事实证明,这是第一个不同于其他的四夸克粒子。2015年,大型强子对撞机的大型强子对撞机实验发现了两个五夸克。

我们最近发现的四个新粒子都是带有夸克对的四夸克和另外两个夸克。所有这些物体都是粒子,就像质子和中子是粒子一样。但是它们不是基本粒子:夸克和电子是物质的真正组成部分。

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迷人的新粒子

大型强子对撞机现在已经发现了59个新的强子。这些包括最近发现的四夸克,还包括新的介子和重子。所有这些新粒子都包含重夸克,例如“粲”和“底”。

这些强子值得研究。它们告诉我们,大自然认为可以接受的夸克的约束组合,即使只是很短的时间。

它们还告诉我们大自然不喜欢什么。例如,为什么所有的四夸克和五夸克都包含一对粲夸克(只有一个例外)?为什么没有对应的带有奇夸克对的粒子呢?目前没有任何解释。

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另一个谜团是这些粒子如何通过强力结合在一起。一些理论家认为它们是紧凑的物体,例如质子或中子。

其他人则声称它们类似于由两个松散结合的强子形成的“分子”。每个新发现的强子都允许进行实验以测量其质量和其他性质,从而告诉我们有关强力的行为的一些信息。这有助于弥合实验与理论之间的鸿沟。我们发现的强子越多,就越能根据实验事实调整模型。

这些模型对于实现大型强子对撞机的最终目标至关重要:找到超越标准模型的物理场。尽管取得了成功,但标准模型当然不是理解粒子的硬道理。例如,它与描述宇宙形成的宇宙学模型不一致。

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大型强子对撞机正在寻找可以解释这些差异的新的基本粒子。这些粒子在大型强子对撞机上可能可见,但隐藏在粒子相互作用的背景中。或者它们可以在已知过程中表现为小的量子力学效应。

无论哪种情况,都需要对强大力量有更好的了解才能找到它们。有了每个新的强子,我们就可以提高对自然法则的了解,从而使我们对物质的最基本特性有了更好地描述。

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