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粒子加速器里三角奇点的首个证据

时间:2021-09-11 11:36:58   作者:机械制图网   来源:   阅读:73   评论:0

最近,《物理评论快报》杂志上刊登了一项有趣的新发现。一个国际物理学家团队在重新检查了由粒子加速器在过去收集到的粒子对撞数据后,似乎发现了一个寻找已久的效应——三角奇点(triangle singularity)。

粒子加速器里三角奇点的首个证据


20世纪50年代,前苏联物理学家列夫·朗道(Lev Landau)首次预言了三角奇点的存在。这种现象描述的是一种罕见的亚原子过程,在这个过程中,粒子会通过交换夸克来改变自己的身份,以此来模仿一个新的粒子。

长时间以来,物理学家一直无法直接证明朗道提出的这一假设。如果物理学家能够证明这种奇异粒子的身份互换现象是真实存在的,那么这将有助于我们更好地理解将原子核结合在一起的强力——自然界中已知的四种基本力中的一种。

在更进一步探讨这项新发现前,我们有必要先来回顾一下夸克。我们知道夸克有6种味,分别为上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、底(b)、顶(t),它们各自有与之对应的携带相反电荷的反物质粒子。

根据一些简单的规则,夸克可以互相结合,形成一种名为强子的复合粒子,比如一个夸克和一个反夸克可以组成介子,三个夸克结合在一起可以组成重子(如质子、中子)。

除了介子和重子外,夸克还可能以其他方式组合,例如两个夸克和两个反夸克可以组成四夸克态。近年来,物理学家已经发现了存在四夸克态的确凿证据。这里,我们要提到的是欧洲核子中心(CERN)在2015年的一项耐人寻味的发现。

COMPASS(结构和光谱学用普通介子和质子装置)是在CERN进行的一项实验,其实验目的是为了研究强子的结构和光谱。在COMPASS的实验中,涉及到了一种名为π介子的粒子。π介子由一个夸克和一个反夸克构成,强力会将π介子内的夸克和反夸克粘在一起。

与其他三种基本力(引力、电磁力、弱力)相比,强力有一个非常迷人的特点:它的强度并不会随着距离的增加而减弱,而是会随着夸克间的距离的增加而增强。这有点类似于橡皮筋在被拉伸时的拉力——拉得越开,力就越强。

在实验中,研究人员选择在一个名为超级质子同步加速器的加速器中,将π介子加速到接近光速的速度。接着,将π介子与氢原子核相撞,就会产生非常强烈的冲击,从而打破夸克之间的强力键,导致“橡皮筋断裂”。这个过程会释放出所有被压抑的能量,这些能量会转化成物质,产生新的粒子。

2015年,在分析了COMPASS探测器所记录到的5000万次这样的碰撞之后,研究人员发现了不同寻常的信号。信号表明,在发生碰撞之后,有一种短暂存在的奇异粒子产生了。当时,他们认为这种新的粒子是由四个夸克组成的,而且它是一个很不稳定的四夸克态,会随即衰变成其他的东西。研究人员将这种粒子命名为a₁(1420)。

然而,新的分析表明,COMPASS发现的a₁(1420)信号其实不是新的奇异强子,而是三角奇点的首个观测证据。

根据新的研究,π介子在撞击氢原子分裂后,所有的强力能量产生了大量的新粒子。其中一些粒子是K介子——另一种夸克-反夸克对。在非常罕见的情况下,当两个K介子产生时,它们会开始“分开旅行”,并最终衰变成其他更稳定的粒子,但在衰变之前,它们会交换一个夸克,然后在这个过程中改变自己的“身份”。
三角奇点的图示。这一过程之所以被命名为三角奇点,是因为在费曼图中,它的次级衰变产物会与初级衰变产物融合,产生一个三角。

新研究指出,正是两个K介子之间的短暂的夸克交换,产生了看起来就像是由一个四夸克发出的信号。在这种情况下,两个K介子交换夸克后,形成了三角形的两个角,而它们交换的夸克粒子形成了三角的第三个角。在这种情况下,描述亚原子粒子间的相互作用的数学方法就失效了。这些特征正是“三角奇点”名字的由来。

新的研究表明,2015年的实验是所有实验中最接近实际观测三角奇点的一次。然而,这并不是一个确凿的证据。虽然与四夸克态模型相比,三角奇点模型具有更少的参数,并能提供更好的数据拟合,但这并不是决定性的,因为用原始的四夸克态模型仍然可以解释这些数据。

不过,这将会是一个有趣的想法,如果它成立,那么它将是对强力的有力探测,质子、中子等强子有着比物理学家预期要重得多的质量,其中只有一小部分质量可以用希格斯机制来解释,更大一部分质量是由强力导致的。三角奇点将有助于物理学家更好地理解强力的性质,或许还有助于理解它对粒子质量的贡献。

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