LHC发现了新粒子？

在追求科学真理的慢慢过程中，最令人惊喜的往往是发现了一些新的东西：那些目前最好的理论没有预测到的新东西。我们知道欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在寻找超越粒子物理学中标准模型的基本粒子，包括超对称、人工色、多维度等理论预测的新粒子。虽然没有找到这些理论预言的新粒子，最近LHC却发现了一族的四夸克态。那么问题来了：

“这些粒子是不是新的粒子类型？为什么主流的媒体都没有报道相关新闻？目前有没有相关的理论解释四态夸克？这对于标准模型意味着什么？”

标准模型中的所有粒子：夸克、轻子、反夸克、反轻子和玻色子。（E.Siegel）

在宇宙中，我们已知的粒子（上图）包括：

• 夸克，构成质子和中子的基本粒子（它们又构成了万物）；

• 轻子，包括电子和最轻的中微子；

• 反夸克和反轻子，上面两种粒子相应的反粒子；

• 光子，组成光的粒子；

• 胶子，它们把夸克束缚在一起并传递强相互作用；

• 我们还有质量较大的规范玻色子，包括W⁺、W⁻和Z⁰，它们传递弱相互作用，跟放射性衰变相关；

• 以及希格斯玻色子。

LHC的最主要目标就是寻找希格斯玻色子，而且在几年前LHC不负众望的找到了它，为标准模型填补了最后一块拼图。在那之后，物理学家又把希望寄托于LHC上，希望它能够寻找到超越标准模型的新粒子。我们希望它能够在更高的能量中找到理论物理学中一些最大未解之谜的一些线索。这些问题包括暗物质之谜和宇宙中物质-反物质的不对称等等。找到一个新的粒子就可以告诉我们现有的哪个理论是对的，又或者我们需要一个全新的理论。

目前，最接近发现新粒子的信号是来自ATLAS和CMS两个实验小组稍早前的实验结果。它们分别在两个高能光子信号中意外的发现，在750GeV的能量附近似乎暗示着另一个新粒子，这个粒子的质量要比希格斯玻色子大出6倍。由于显著比没有达到科学发现（5倍的标准差才可以确定是科学发现），因此只是疑似信号。关于该粒子有兴趣的读者可以戳《如果CERN发现了新粒子意味着什么？》。至于该粒子的真实性还有待进一步验证，相信不久后就能知道结果。

ATLAS和CMS都在~750GeV看到了双光子信号，或许暗示着一个超越标准模型的新粒子。（CERN,CMS/ATLAS）

取而代之的是LHCb宣布发现了四夸克态。这些并不是额外或超越标准模型的新粒子，它们也不是什么新的基本力或相互作用，更不会解决任何目前理论物理面对的难题。他们只是现有粒子的一种新的组合。

夸克和胶子都是色荷粒子，夸克的颜色可以是下面三者中的一种：红、蓝、绿；反夸克则为青、洋红和黄（这边提到的“色荷”和可见颜色没有没有任何关系，它只是物理学家所发展出的数学系统，以解释所观察到在强子中的夸克而命名的。）。胶子在夸克之间交换并传递强核力，而且它们会改变夸克的颜色。这里有一条基本规则：任何夸克或反夸克的组合都必须的无色的。所以我们有：

• 三个夸克：红+绿+蓝=无色，

• 三个反夸克：青+洋红+黄=无色，

• 或者是夸克和反夸克组合：红+青=无色。

三个夸克的组合即为重子，我们熟知的质子和中子就属于重子。三个反夸克的组合就是反重子，包括反质子和反中子。而夸克和反夸克的组合被称为介子，用来传递原子核之间的力。π介子，K中介子，粲素都属于介子。

以上就是最常见的组合，但为什么我们不能有其它的无色组合？为什么不可以有像：

• 两个夸克和两个反夸克组成的四夸克态？

• 或者四个夸克和一个反夸克组成的五夸克态？

• 又或者是五个夸克和两个反夸克组成的七夸克态？

这些组合不仅是有可能存在的，其实，标准模型预言了它们的存在。这是量子色动力学（QCD）——描述强相互作用的理论——的自然结果。

（2003年，参与日本贝尔实验的科学家们首次发现了一种质量为3872MeV/c²的粒子，被列为四夸克粒子的候选者。之后贝尔实验和费米实验都相继发现了一些四夸克粒子的候选。直到2013年，贝尔实验室和在中国的BES III实验第一次确认了四夸克粒子的存在。）

在2014年的时候在CERN的科学家也发现了由四个夸克组成的粒子，称为四夸克态。而去年的时候，同一个团队发现了五夸克态，有兴趣的读者可以戳：《向麦克老人五呼夸克！》。

LHCb在2015年发现了五夸克态，图中尖峰凸起的位置就代表了五夸克态。（CERN/LHCb）

现在LHCb的科学家以5个标准差（这意味着某一信号是假信号的可能性低于350万分之一）确定了他们稍早前的发现，该粒子被命名为X(4140)，这代表了它的质量为4140MeV/c²。同时，这次新发现的三个四夸克态粒子分别为：X(4274)，X(4500)和X(4700)。如果对该实验结果有兴趣的读者可以搜索他们发表的两篇论文：arXiv:1606.07895和arXiv:1606.07898。

LHCb中的巨大磁铁。（CERN/LHCb）

有趣的是，这四个新粒子都是由相同的一群夸克组成：一个粲夸克、一个反粲夸克、一个奇异夸克和一个反奇异夸克组成的，这是首次发现四夸克态中没有轻夸克（上和下夸克）。这就好像是一个原子中的一个电子可以有很多不同的态，这些夸克各自都有自己内在的构造，意味着这些粒子会有不同的量子数，包括质量、自旋、宇称和电荷共轭。经过对比所有已知的粒子，物理学家确定这些粒子都不是标准模型预测的普通强子，它们的确是四夸克态。

B介子可以直接衰变为J/Ψ粒子和一个Φ粒子。科学家意外的发现了在B介子衰变的过程中会有一个中间的夸克结构（Y）。（Symmetry Magazine）

在上图中我们可以看到，这些粒子在一些衰变中存在于中间阶段（Y），它们都是转瞬即逝的。根据标准模型，这完全是被允许的，但是这样的过程是非常罕见的，所以我们能够探测到它们其实本身就是一件非常了不起的事情。

通过对这些粒子的研究，物理学家可以了解大质量夸克之间是如何相互作用的。物理学家可以在更高的精度上验证量子色动力学的正确性。如果这些预测的夸克、反夸克和胶子的态不能够出现，那么QCD或许在某些地方就是不正确的，那我们就需要超越粒子标准模型的理论。找到这些不同的态只是第一步，而真正的去理解它们为什么会结合在一起以及现有的物理如何去解释越来越复杂的系统才是接下来要做的事。就像所有其它的发现一样，我们无法在一开始就意识到这些发现究竟会对我们的未来产生什么影响，而时间往往能让我们最终得到回报。

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