CERN-由4个魅力夸克组成的粒子可能是第一个发现的致密四夸克

欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb合作宣布发现了一种新的奇异粒子：所谓的“四夸克”。这篇由800多名作者撰写的论文还有待其他科学家在一种名为“同行评议”的过程中进行评估，但已在一次研讨会上发表。它也符合宣称发现新粒子的通常统计门槛。

这一发现标志着在世界各地的粒子物理实验室进行的近20年的探索中取得了重大突破。

为了理解什么是四夸克，以及为什么这一发现很重要，我们需要回到1964年，当时粒子物理学正处于一场革命之中。披头士狂热刚刚爆发，越南战争正在肆虐，新泽西州的两名年轻射电天文学家刚刚发现了有史以来支持大爆炸理论的最有力证据。

在美国的另一边，加州理工学院(California Institute Of Technology)和大西洋彼岸的瑞士欧洲核子研究中心(CERN)，两位粒子物理学家就同一主题发表了两篇独立的论文。这两个问题都是关于如何理解在过去20年中发现的数量巨大的新粒子。

许多物理学家很难接受宇宙中可能存在这么多基本粒子，这个地方被称为“粒子动物园”。加州理工学院的乔治·茨威格和欧洲核子研究中心的默里·盖尔-曼也提出了同样的解决方案。如果所有这些不同的粒子真的是由更小的、未知的积木组成的，就像元素周期表中的数百个元素是由质子、中子和电子组成的一样，会发生什么呢？茨威格称这些积木为“王牌”，而盖尔曼选择了我们今天仍在使用的术语：“夸克”。

我们现在知道有六种不同的夸克-上夸克，下夸克，魅力夸克，奇异夸克，顶部夸克，底部夸克。这些粒子也有各自相反电荷的反物质伴侣，它们可以根据基于对称性的简单规则结合在一起。由一个夸克和一个反夸克组成的粒子称为“介子”，而三个夸克结合在一起则形成“重子”。组成原子核的熟悉的质子和中子就是重子的例子。

这个分类方案很好地描述了20世纪60年代的粒子动物园。然而，即使在他最初的论文中，盖尔曼也意识到夸克的其他组合可能是可能的。例如，两个夸克和两个反夸克可能粘在一起形成一个“四夸克”，而四个夸克和一个反夸克则会形成一个“五夸克”。

快进到2003年，日本KEK实验室的Belle实验报告了一种名为X(3872)的新介子的观测，它显示出与普通介子截然不同的“奇异”性质。

在接下来的几年里，发现了几个新的奇异粒子，物理学家开始意识到，这些粒子中的大多数只有在它们是由四个夸克而不是两个夸克组成的四夸克的情况下才能被成功解释。然后，在2015年，欧洲核子研究中心(CERN)的LHCb实验发现了第一批由五个夸克组成的五夸克粒子。

到目前为止发现的所有四夸克和五夸克都包含两个相对较重的魅力夸克和两三个轻夸克-向上、向下或奇怪的夸克。这种特殊的配置确实是在实验中最容易发现的。

但是LHCb发现的最新四夸克，被称为X(6900)，是由四个魅力夸克组成的。新的四夸克是在大型强子对撞机的高能质子碰撞中产生的，它通过衰变成两个众所周知的粒子，称为J/psi介子，每个粒子都由一个魅力夸克和一个魅力反夸克组成，从而被观察到。这使得它特别有趣，因为它不仅完全由重夸克组成，而且还有四个同类型的夸克-这使它成为测试我们对夸克如何结合在一起的理解的独特标本。

目前，有两种不同的模型可以解释夸克是如何结合在一起的：它们可能是强束缚的，产生了我们所说的致密四夸克。也可能是夸克排列成两个介子，它们松散地粘在一起形成一个“分子”。

普通分子是由被电磁力束缚在一起的原子组成的，电磁力作用于带正电的原子核和带负电的电子之间。但是介子或重子中的夸克是通过一种不同的力--“强力”连接在一起的。令人着迷的是，原子和夸克遵循非常不同的规则，都可以形成非常相似的复杂物体。

新粒子似乎与致密的四夸克分子最一致，而不是两介子分子，这是对之前发现的最好解释。这使它变得不同寻常，因为它将允许物理学家详细研究这种新的结合机制。这也暗示了其他重质致密四夸克的存在。

夸克之间的强大作用力遵循非常复杂的规则-事实上，如此复杂，以至于通常唯一计算其影响的方法就是使用近似和超级计算机。

X(6900)的独特性质将有助于理解如何提高这些近似的精确度，以便在未来我们能够描述其他更复杂的物理机制，这些机制不在我们今天的能力范围内。

自从X(3872)被发现以来，对奇异粒子的研究蓬勃发展，数百名理论物理学家和实验物理学家共同努力，为这一令人兴奋的新领域提供了一些曙光。新的四夸克的发现是一个巨大的飞跃，也表明那里仍然有许多新的奇异粒子，等待着有人来揭开它们的面纱。