大型強子對撞機發現新粒子：雙粲重子比質子重3.5倍

新發現的Xi-cc++屬於被稱為「雙粲重子」的重子家族，這意味著組成它的夸克中有兩個是粲夸克，另外一個則是上夸克。

大型強子對撞機（LHC）上的底夸克探測器（LHCb）發現了一種新的粒子

歐洲核子研究中心（CERN）的科學家宣布，他們通過大型強子對撞機（LHC）上的底夸克探測器（LHCb）發現了一種新的粒子——雙粲重子，又被稱為Xi-cc++。

粒子物理學的標準模型預言了像雙粲重子這樣具有兩個重夸克的粒子，而這是科學家首次證實這種粒子的存在。在粒子物理學中，標準模型是一套描述基本力（強力、弱力和電磁力）及組成所有物質的基本粒子的理論。在標準模型中，基本粒子可以分為費米子和玻色子，費米子又可以再分為輕子（比如電子）和夸克。

目前已知夸克有6種「味」，分別是上、下、粲、奇、底和頂。由3個夸克組成的複合粒子稱為重子。最常見的重子包括組成日常物質原子核的質子和中子。新發現的Xi-cc++屬於被稱為「雙粲重子」的重子家族，這意味著組成它的夸克中有兩個是粲夸克，另外一個則是上夸克。粲夸克是4種「重」夸克（粲夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克）之一，上夸克則較輕。

這種新粒子之所以與眾不同，是因為之前發現的所有重子都最多只含有1個重夸克。質子具有兩個上夸克和一個下夸克，中子則具有兩個下夸克和一個上夸克。Xi-cc++粒子的質量為MeV/c2，比質子或中子重了大約3.5倍。

該研究的領導者、格拉斯哥大學的帕特里克·斯普拉德林（Patrick Spradlin）說：「新發現的雙粲重子Xi-cc++為一個長期以來的謎題——具有兩個粲夸克的重子的實驗狀態——提供了解釋，並且為底夸克探測器（LHCb）開闢了新的研究分支。」

此次研究的結果還為標準模型提供了證據，表明該模型仍是目前描述基本粒子的最好理論。「看到夸克組合成新的複合粒子之後，所表現出來的特徵正如我們所料，即與標準模型預言的一樣，這種感覺非常棒，」歐洲核子中心的粒子物理學家弗雷亞·布萊克曼（Freya Blekman）說，「當然，我們知道在極端的能量下，標準模型會不適用，而且數量龐大的中微子和暗物質也沒有得到描述。但是，對於夸克和由夸克組成的粒子而言，標準模型看起來是『貨真價實』的，是一個合理且完整的理論。」布萊克曼並未參與此次研究。

標準模型可以認為是人類目前整合得最成功的一套科學理論。該模型以驚人的準確度描述了大量不同的現象，從恆星內部的核聚變機制到希格斯粒子的產生。然而，這套理論也是不完整的，它沒有包括愛因斯坦的引力，因此無法描述引力波等現象。其次，該理論也沒有描述暗物質和暗能量，而這兩者組成了宇宙中95%的質能。

許多物理學家仍在試圖證明標準模型是錯的。不過截至目前，該理論的地位似乎還很穩固。「從實驗的角度來說，這一發現是十分不錯的結果，」荷蘭阿姆斯特丹自由大學的粒子物理學家胡安·羅霍（Juan Rojo）說，「儘管它對基礎粒子理論的意義還需要一些時間來發掘。」

胡安·羅霍表示，當同時涉及3個夸克時，量子色動力學（quantum chromodynamics，QCD）——描述夸克之間相互作用的理論——研究就會變得更加困難。「我們不知道從基本原理上如何計算重子的特徵；因為量子色動力學是一個強相互作用的理論，很難對這些特徵進行計算，」他說，「因此我們還不清楚能從這些結果中獲得什麼。」

格拉斯哥大學的保羅·索萊爾（Paul Soler）對新研究的結果更為樂觀，他說：「這是第一次確定地觀察到含有兩個粲夸克的重子，為理解將夸克結合在一起的強相互作用提供了新的可能。」

「這一發現肯定將拓展新的方法，以驗證有關夸克限制和重子結構的理論，」倫敦國王學院的粒子物理學家、並未參與此次研究的約翰·埃利斯（John Ellis）說，「該研究再一次表明LHCb是一個非常強大的探測器，能幫助我們研究許多問題，比如重子波譜學（baryon spectroscopy），這在LHC啟用之前是無法想像的。」

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