中国科学家主导发现新型粒子 到底有何意义?

　　欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的底夸克探测器（LHCb）实验组宣布发现双粲重子，欧洲核子研究中心专门进行了新闻发布。而中国研究团队在新发现中作出关键性贡献。什么是双粲重子，为什么科学家要寻找这种粒子，它的发现有何重要意义？

　　底夸克探测器局部图

　　双粲重子含有两个c夸克（“粲夸克”）和一个u夸克（“上夸克”），带两个单位电荷。以往发现的重子最多含有一个重夸克，这次是实验上首次发现含两个重夸克的重子。

　　首次发现含有两个重夸克的重子

　　在粒子物理学中，标准模型是一套描述基本力（强力、弱力和电磁力）及组成所有物质的基本粒子的理论。在标准模型中，基本粒子可以分为费米子和玻色子，费米子又可以再分为轻子（比如电子）和夸克。

　　按照标准模型的分类，重子由三个夸克组成，熟知的质子和中子是最常见的重子。自然界中存在六种不同夸克，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。前三种较轻，后三种较重。

　　理论预期存在很多种具有不同组分的重子。此前发现的所有重子都最多只含有1个重夸克。例如，质子具有两个上夸克和一个下夸克，中子则具有两个下夸克和一个上夸克。此次发现的新粒子之所以与众不同，是因为它含有两个重夸克。

　　新发现的双粲重子含有两个粲夸克和一个上夸克，带两个单位电荷，质量约为3621兆电子伏特，几乎是质子质量的4倍。如果画一幅关于双粲重子的图像，就会看到两个重夸克位于中间，距离非常近，一个轻夸克围着二者转。

　　高原宁说，由于粲夸克质量远大于上夸克，它的内部结构预期迥异于普通重子，对其性质的细致研究将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用力的本质。

　　继2012年发现“上帝粒子”希格斯玻色子后，标准物理模型这块大拼图已基本完成。“在解决具体问题上还缺少一些细节，比如在重子中夸克之间是如何作用的，等等。”高原宁说，强相互作用是形成原子核等重要物质的最关键的力，分子、原子的质量90%以上都来源于强相互作用。双粲重子的发现，让科学家们可以探索强相互作用在这种新的夸克构成之下，会有什么新性质，有助于加深对强相互作用本质的了解。

　　给标准理论模型补充一块拼图

　　“我们从2010年起开始这项研究，经过多年努力终于取得不错的成果。”高原宁说。

　　底夸克探测器是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一，专门进行含有重夸克粒子的产生和衰变性质研究。底夸克探测器合作组由来自16个国家、72个单位的1185名成员组成，其中中国组由清华大学、华中师范大学、中国科学院大学和武汉大学的研究人员组成。近年来，中国组在强子性质和电荷宇称对称性破缺等方面的研究中成绩突出。

　　为什么中国组将寻找含有两个粲夸克的重子作为目标？“根据夸克模型，基态重子的数量是一定的，例如，由上夸克,下夸克,奇夸克和粲夸克可以组成20个自旋为1/2的基态重子，高能物理学领域一直在寻找这些不同组分的重子，希望能进一步验证标准模型。”高原宁说。

　　在此之前，科学家们已经找到上夸克、下夸克、奇夸克这三种较轻夸克组合成的不同重子。“标准模型最成功的是预言了含有三个奇夸克的重子的存在，后来真的被找到了。此外，由一个重夸克和两个轻夸克组成的重子也基本被发现。”高原宁说，所以寻找含有两个较重夸克的重子成为主要目标。

　　“大家当然也希望找到含有两个底夸克的，但是由于粲夸克质量比底夸克小，所以产生它更容易，我们就从双粲重子入手了。”高原宁说。

　　事实上，早在1974年，华裔物理学家丁肇中和美国科学家里希特就发现了粲夸克，并因此摘得诺贝尔物理学奖。科学家们按照夸克模型的理论，制作出了含有粲夸克的“元素周期表”，并推断出双粲重子在表中的位置和大概性质。

　　“这次的发现相当于我们又给标准模型提供了证据，给这个大拼图完善了一小块。”高原宁说，新粒子的发现表明该模型仍是目前描述基本粒子的最好理论。

　　寻找新粒子的脚步不停

　　“这次的发现也验证了我们之前提出的，在高能物理装备上进行质量相对较小粒子实验的可行性。”高原宁说。

　　他解释道，希格斯玻色子的质量为125GeV（千兆电子伏），需要高能对撞机来产生。顶夸克由于寿命太短无法与其它夸克形成稳定重子，而其它夸克的质量均在5GeV以下。此前有观点认为，对重子的研究用不上大型强子对撞机。“实验结果表明，这么高的能量虽然不是研究此类重子的必要条件，但确实可以能有比较好的效果。”

　　高原宁说，此次的新发现，使大家对寻找更多类型双粲重子的未来，更加笃定，各国科研人员都会加速寻找。理论认为，至少存在3个基态的类双粲重子，剩下两个会更难发现，需要更多数据和更细致的分析。

　　中国科学家将为此继续努力。同时，未来一段时间内的目标是精确测量双粲重子的寿命。双粲重子本身非常“短命”，在“出生”之后会迅速衰变。此外，他们还要继续探索双粲重子是否衰变到了其他的衰变道。

　　高原宁说，发现新物理理论和求解标准理论模型一直是高能物理领域的两大方向。

　　虽然标准模型以惊人的准确度描述了大量不同的现象，从恒星内部的核聚变机制到希格斯粒子的产生，被认为是人类目前整合得最成功的一套科学理论，但这套理论没有包括一个量子引力理论，没能实现相互作用力统一。标准模型还不能描述暗物质和暗能量，而这两者组成了宇宙中95%的质能。因此，物理学家们希望能发现解释这些现象的新物理理论。

　　同时，大量实验依然在寻找标准理论预言的各种粒子。“标准模型里还有很多东西没搞清楚。比如我们2015年发现了5个夸克组成的强子，北京正负电子对撞机上发现过4个夸克的强子，那么是不是还有6个夸克的强子？这些强子内部夸克之间的结构怎样，如何相互作用？”高原宁说，这就像上帝写了一个方程式，也给出了标准答案，但人们并不知道解题的中间过程。

　　“虽然我们迄今的发现都没有跑出目前的理论物理体系，但我们相信随着数据积累得越来越多、越来越好，未来发现新物理体系的可能性也越来越大。”高原宁说。