五夸克：揭秘世界本质再近一步

来源：《中国科学报》2015-7-20   彭科峰

人类对于构成物质世界的基本粒子的探索，总是永无止境。

近日，欧洲核子研究中心召开发布会，宣布观测到由五夸克组成的重子态。从四夸克到五夸克物质的发现，标志着人类离认识自然界的本质又近了一步。

而这其中，就有我国清华大学高原宁团队和中国科学院大学科研人员所作出的贡献。

四夸克到五夸克

1964年，美国物理学家盖尔曼提出“夸克模型”，认为质子和中子不是基本粒子，而是由3个夸克组成的。这类粒子被统称为重子，另外一类被称为介子的粒子则由一对正反夸克组成。这就是传统的“夸克模型”。

统的夸克模型认为，介子由1个夸克和1个反夸克组成，重子由3个夸克或3个反夸克组成。介子和重子被统称为强子，但在高能物理领域，描述强相互作用的理论并不排除以其他方式组成的粒子，如多夸克态、胶子球、夸克胶子混杂态等。

盖尔曼也提到，可能存在奇特类型的粒子，比如在介子或重子中加入一对正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。

为寻找这些奇特态的粒子，数十年来，科学家付出了巨大的努力。曾有多个科研团队宣布发现五夸克粒子，但其研究结论相继被后来的实验推翻。 直到2013年，以中科院高能物理所研究团队为代表的中国科学家，在北京谱仪实验上发现了Zc（3900）粒子。这被学界公认为是四夸克态存在的证据。

如今，科学家再次在这一领域取得重大突破。

LHC底夸克实验（LHCb）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，合作组由来自16个国家、68个单位的1133名成员组成。

五夸克粒子的发现，正是通过LHCb得以实现的。在研究中，联合团队观测了Λb重子在LHCb中衰退或转换为3种其他粒子的方式。研究发现，在3种粒子的产生过程中，有时会出现居间态粒子。

“我们分析了这些信号的所有可能性，认为只有五夸克粒子能解释它们。”物理学家托马斯？斯克瓦尔尼茨基表示。

中国科学家的贡献

应当说，在LHCb的联合团队中，中国科学家起的作用很大。

目前，LHCb中国组由清华大学、华中师范大学和中国科学院大学的研究人员组成。在LHCb实验的8个物理课题工作组中，中国组成员担任了两个工作组的召集人。

清华大学副教授杨振伟便是LHCb实验“底强子与夸克偶素”物理工作组的召集人，而发现五夸克物质的研究就是在该工作组完成的。

LHCb中国组负责人、清华大学教授高原宁，同时是北京谱仪Ⅲ实验国际合作组执行委员会委员。也就是说，他同时参与了四夸克物质和五夸克物质的发现与研究。

“LHCb的实验，使人们相信自然界中除了常规物质，确实存在奇特态物质。”对于此次发现，高原宁如是说。
那么，五个夸克是以什么型态构成奇特重子呢？对此，清华大学副教授张黎明指出，一种观点认为，五个夸克构成紧密的统一体，另一种观点则认为这是由一个重子和一个介子相互作用构成的类似于分子的结构。但目前该问题尚无定论，仍须进一步深入研究。

或许还有六夸克

“五夸克粒子不仅仅是一种新粒子。”LHCb发言人盖？威尔金森表示，它代表普通的质子和中子的基本组成单元——夸克新的组合方式，它们的组合类型在过去半个多世纪的研究中从未被发现过。

那么，发现五夸克粒子和此前北京谱仪Ⅲ实验发现的四夸克粒子有什么不同呢？对此，北京谱仪Ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能所研究员沈肖雁告诉记者，从物理意义上来说，发现五夸克粒子或四夸克粒子并没有什么不同，都是丰富了人类对于强子结构的认识。

“按照此前物理学家的理论，多夸克粒子如果存在，肯定不只四夸克粒子这一种，因此五夸克粒子的发现也很正常。四夸克、五夸克粒子都是多夸克粒子的一种。”沈肖雁说。

他进一步指出，此前物理学家早已预言有多夸克物质存在。现在发现多夸克物质，只是证明了这一理论的正确性。“事实上，如果存在多夸克物质，一定会有很多种。除了四夸克、五夸克，应该还有六夸克物质的存在。”

那么，人类何时能发现新的奇特态粒子呢？或许，对于科学家来说，这需要一点点运气。正如高原宁所说，“对于科学家来说，很多时候你并不知道将得到什么样的结果”。