新粒子开启的新物理学时代

美国物理学家默里·盖尔曼

不仅仅因为它发现了希格斯玻色子，在这个机器内进行的每一次强子对撞实验，都可能改变人类对于微观世界，乃至整个宇宙的理解。而它开始进行实验的几年来所产生的海量数据，就如同一个宝库，粒子物理学家们不时就可以从中挖掘出宝藏。

2015年7月14日，在大型强子对撞机LHCb合作项目工作的物理学家们宣布，他们在分析LHCb合作项目在2009和2012年的对撞实验数据中意外发现了物理学家们曾经苦苦寻找了几十年，后来几乎放弃希望的“五夸克粒子”（pentaquark），这种此前仅存在于理论中的粒子被发现，必将使人类对于物质的构成方式以及基本粒子之间的相互作用方式有更深刻的理解，而且对于宇宙早期的形态也将有更深刻的想象。因此，无论如何描述这种新的粒子形态被发现的意义都不为过，欧洲核子中心的发言人盖伊·威尔金森（Guy Wilkinson）对此评论说，这个发现“开启了物理学的新时代”。

五夸克粒子宣布被发现的30个小时之内，网上就出现了很多粒子物理学家们对这种极为少见又极为不稳定的粒子进行分析的论文，当然是因为这个消息早在被公布之前就已经在粒子物理学家内部被泄露了出来，物理学家们都不愿意放过这样一个难得的机会，抢先发布自己的结论。尽管五夸克粒子的存在仍然在标准模型所描述的范围以内，没有违反任何现有的物理学理论，但是它的出现开启了人类对于基本粒子的相互作用方式进行深入了解的大门。

夸克是目前人类发现的构成物质最基本的粒子，它总共有6种（算上反粒子则有12种），夸克带有分数电荷，不能单独存在。在自然界中，最为常见的是由两个夸克（反夸克）结合组成的介子以及由三个夸克（反夸克）组成的重子，人们所熟悉的中子和质子都属于重子范畴。尽管根据目前的粒子物理学理论，在理论上可能存在最多由5个夸克构成的粒子，但是这种粒子是否能够真正存在，在此前一直是一个未解之谜。实际上，直到2013年6月，物理学家们才确认发现了由4个夸克（反夸克）构成的粒子，而物理学家们对于发现由5个夸克构成的粒子甚至已经不抱太大希望了。在2002年，曾经有日本科学家声称在 SPring-8同步加速器的对撞实验中发现了由5个夸克构成的质量大约相当于质子1.5倍的新粒子，但这个结果一直都无法被其他实验室所确认，经过了几年的验证，到了2005年，物理学界确认并没有发现这种新型粒子。

正是因为此前的故事，欧洲核子中心LHCb合作项目的物理学家们在声明发现了五夸克粒子之前必须格外小心，仔细确认之后才肯对外宣布，他们在分析2009和2012年的粒子对撞实验数据的过程中，意外地发现了两种寿命非常短暂的粒子，质量分别是一个质子的4.67倍和4.74倍。种种迹象都表明，这是两种由五个夸克所组成的粒子（一种粒子的两个不同组成方式），物理学家们仔细分析数据，又花了几个月的时间建立计算机模型进行模拟，排除了其他一切可能之后，才宣布他们以极高的可信度发现了物理学家们寻找了几十年，此前只存在于理论中的五夸克粒子。

美国物理学家乔治·茨威格

默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）与乔治·茨威格（George Zweig）在1964年首次提出了夸克模型。十几年之后，丹尼尔·施特罗特曼（Daniel Strottman）在1979年预测了可能存在一种由5个夸克构成的奇异粒子，直到36年之后这种奇异的粒子才终于被发现。夸克之间是由强相互作用结合在一起，而由5个夸克构成的粒子内部，夸克之间必定存在着非常复杂的相互作用，这是人类理解强相互作用、完善量子色动力学的极佳机会。研究这种前所未见的夸克结合方式，也将使物理学家对于宇宙大爆炸发生之后物质的结合形式有更深的理解——在宇宙大爆炸之后，物质为什么大多形成中子与质子，进而形成原子，而不是形成五夸克粒子？

粒子物理学家们已经把最新发现的这种由5个夸克结合在一起形成的粒子的两种结构命名为Pc（4450）+ 与Pc（4380）+，这种粒子包含两个“上夸克”、一个“下夸克”和一个“正反粲夸克”对，这并不是2002年日本科学家们所宣布发现的那种五夸克粒子，而是由不同的夸克组成，质量也重了大约三倍。

相比于当时通过质子对撞实验产生五夸克粒子的大型强子对撞机，现在这架经过了休整和升级的巨型机器的粒子对撞能量已经是当时的两倍以上。在未来的强子对撞实验中，必将出现更多形式的五夸克粒子。在2015年7月，大型强子对撞机LHCb合作项目的科学家们共同在网上发表了一篇48页的论文，报告发现的五夸克粒子，目前这篇论文已经被《物理评论快报》（PRL）杂志接收。

对于这个最新发现，盖尔曼在欣喜之余，也表示他预测在未来会有更多的奇异粒子被发现。不仅会出现更多由夸克和反夸克结合组成的粒子，也有可能出现没有夸克，而纯粹是由胶子构成的粒子。五夸克粒子的出现，表明粒子物理学正在进入一个全新的时代，这只是一个开始。在确认了这种粒子的存在之后，物理学家们需要利用描述基本粒子行为的标准模型来解释五夸克粒子的行为。而且根据现有理论，在6种（正反）夸克中任何5个夸克的组合都有可能形成一种五夸克粒子，而目前人们刚刚发现一种五夸克粒子的两种结构。为什么人们会首先发现这种粒子，它们之间是如何结合在一起的，它为什么具有这样的质量，接下来人们还可能发现哪些五夸克粒子？这些问题，利用目前量子色动力学提供的数学工具很难给出理论答案，因此，粒子物理学家们只能继续期待着大型强子对撞机，这个庞大的机器能够源源不断地提供更有价值的强子对撞实验数据。

（本文写作参考了《自然》杂志的报道） 粒子科学科普物理学时代开启夸克