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粒子加速器里三角奇點的首個證據

時間:2021-09-11 11:36:58   作者:機械制圖網   來源:   閱讀:73   評論:0

最近,《物理評論快報》雜志上刊登了一項有趣的新發現。一個國際物理學家團隊在重新檢查了由粒子加速器在過去收集到的粒子對撞數據后,似乎發現了一個尋找已久的效應——三角奇點(triangle singularity)。

粒子加速器里三角奇點的首個證據


20世紀50年代,前蘇聯物理學家列夫·朗道(Lev Landau)首次預言了三角奇點的存在。這種現象描述的是一種罕見的亞原子過程,在這個過程中,粒子會通過交換夸克來改變自己的身份,以此來模仿一個新的粒子。

長時間以來,物理學家一直無法直接證明朗道提出的這一假設。如果物理學家能夠證明這種奇異粒子的身份互換現象是真實存在的,那么這將有助于我們更好地理解將原子核結合在一起的強力——自然界中已知的四種基本力中的一種。

在更進一步探討這項新發現前,我們有必要先來回顧一下夸克。我們知道夸克有6種味,分別為上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、底(b)、頂(t),它們各自有與之對應的攜帶相反電荷的反物質粒子。

根據一些簡單的規則,夸克可以互相結合,形成一種名為強子的復合粒子,比如一個夸克和一個反夸克可以組成介子,三個夸克結合在一起可以組成重子(如質子、中子)。

除了介子和重子外,夸克還可能以其他方式組合,例如兩個夸克和兩個反夸克可以組成四夸克態。近年來,物理學家已經發現了存在四夸克態的確鑿證據。這里,我們要提到的是歐洲核子中心(CERN)在2015年的一項耐人尋味的發現。

COMPASS(結構和光譜學用普通介子和質子裝置)是在CERN進行的一項實驗,其實驗目的是為了研究強子的結構和光譜。在COMPASS的實驗中,涉及到了一種名為π介子的粒子。π介子由一個夸克和一個反夸克構成,強力會將π介子內的夸克和反夸克粘在一起。

與其他三種基本力(引力、電磁力、弱力)相比,強力有一個非常迷人的特點:它的強度并不會隨著距離的增加而減弱,而是會隨著夸克間的距離的增加而增強。這有點類似于橡皮筋在被拉伸時的拉力——拉得越開,力就越強。

在實驗中,研究人員選擇在一個名為超級質子同步加速器的加速器中,將π介子加速到接近光速的速度。接著,將π介子與氫原子核相撞,就會產生非常強烈的沖擊,從而打破夸克之間的強力鍵,導致“橡皮筋斷裂”。這個過程會釋放出所有被壓抑的能量,這些能量會轉化成物質,產生新的粒子。

2015年,在分析了COMPASS探測器所記錄到的5000萬次這樣的碰撞之后,研究人員發現了不同尋常的信號。信號表明,在發生碰撞之后,有一種短暫存在的奇異粒子產生了。當時,他們認為這種新的粒子是由四個夸克組成的,而且它是一個很不穩定的四夸克態,會隨即衰變成其他的東西。研究人員將這種粒子命名為a?(1420)。

然而,新的分析表明,COMPASS發現的a?(1420)信號其實不是新的奇異強子,而是三角奇點的首個觀測證據。

根據新的研究,π介子在撞擊氫原子分裂后,所有的強力能量產生了大量的新粒子。其中一些粒子是K介子——另一種夸克-反夸克對。在非常罕見的情況下,當兩個K介子產生時,它們會開始“分開旅行”,并最終衰變成其他更穩定的粒子,但在衰變之前,它們會交換一個夸克,然后在這個過程中改變自己的“身份”。
三角奇點的圖示。這一過程之所以被命名為三角奇點,是因為在費曼圖中,它的次級衰變產物會與初級衰變產物融合,產生一個三角。

新研究指出,正是兩個K介子之間的短暫的夸克交換,產生了看起來就像是由一個四夸克發出的信號。在這種情況下,兩個K介子交換夸克后,形成了三角形的兩個角,而它們交換的夸克粒子形成了三角的第三個角。在這種情況下,描述亞原子粒子間的相互作用的數學方法就失效了。這些特征正是“三角奇點”名字的由來。

新的研究表明,2015年的實驗是所有實驗中最接近實際觀測三角奇點的一次。然而,這并不是一個確鑿的證據。雖然與四夸克態模型相比,三角奇點模型具有更少的參數,并能提供更好的數據擬合,但這并不是決定性的,因為用原始的四夸克態模型仍然可以解釋這些數據。

不過,這將會是一個有趣的想法,如果它成立,那么它將是對強力的有力探測,質子、中子等強子有著比物理學家預期要重得多的質量,其中只有一小部分質量可以用希格斯機制來解釋,更大一部分質量是由強力導致的。三角奇點將有助于物理學家更好地理解強力的性質,或許還有助于理解它對粒子質量的貢獻。

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