作者:麻省理工学院朱明华
信用:Pixabay/CC0公共领域
在大爆炸后的前百万分之一秒，宇宙是一个翻滚的万亿度夸克和胶子等离子体——基本粒子在冷却并沉淀成更稳定的结构以制造普通物质的中子和质子之前，以无数种组合短暂地聚集在一起
在冷却前的混乱中，这些夸克和胶子的一小部分随机碰撞，形成了短暂的“X”粒子，以其神秘、未知的结构而得名
如今，X粒子极其罕见，尽管物理学家已经提出理论，它们可能是在粒子加速器中通过夸克聚结产生的，在那里高能碰撞可以产生类似的夸克胶子等离子体闪光
现在，麻省理工学院核科学实验室和其他地方的物理学家已经在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)产生的夸克胶子等离子体中发现了X粒子的证据
该团队使用机器学习技术筛选了超过130亿个重离子碰撞，每个碰撞产生数万个带电粒子
在这种超密集的高能粒子汤中，研究人员能够梳理出大约100个X粒子，这种粒子被称为X (3872)，以粒子的估计质量命名
这一结果发表在本周的《物理评论快报》上，标志着研究人员第一次在夸克胶子等离子体中检测到X粒子——他们希望这种环境将照亮粒子迄今未知的结构
“这只是故事的开始，”第一作者李彦杰说，他是麻省理工学院1958级职业发展副教授
“我们已经表明我们可以找到信号
在接下来的几年里，我们想用夸克胶子等离子体来探测X粒子的内部结构，这可能会改变我们对宇宙应该产生什么样的物质的看法
" 该研究的共同作者是CMS合作的成员，CMS合作是一个国际科学家团队，负责操作和收集来自LHC粒子探测器之一的紧凑型μ子螺线管的数据
等离子体中的粒子 物质的基本组成部分是中子和质子，它们都是由三个紧密结合的夸克组成的
“多年来，我们一直认为，出于某种原因，大自然选择只产生由两三个夸克组成的粒子，”李说
直到最近，物理学家才开始看到奇异的“四夸克”迹象——由四个夸克罕见组合而成的粒子
科学家们怀疑X (3872)要么是一个紧凑的四夸克，要么是一种全新的分子，它不是由原子而是由两个松散结合的介子组成的——亚原子粒子本身是由两个夸克组成的
X (3872)最早是在2003年由百丽实验发现的，百丽实验是日本的一个粒子对撞机，它将高能电子和正电子撞在一起
然而，在这种环境下，稀有粒子衰变得太快，科学家无法详细检查它们的结构
有人假设，在夸克胶子等离子体中，X (3872)和其他奇异粒子可能被更好地照亮
李说:“理论上讲，等离子体中有如此多的夸克和胶子，应该会增强X粒子的产生。”
“但人们认为寻找它们太难了，因为在这种夸克汤中产生了如此多的其他粒子
" 真的是个信号 在他们的新研究中，李和他的同事们在欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机的重离子碰撞产生的夸克胶子等离子体中寻找X粒子的迹象
他们的分析基于LHC 2018年的数据集，其中包括超过130亿个铅离子碰撞，每个碰撞都释放出夸克和胶子，它们在冷却和衰变之前分散并合并形成超过1万亿个短命粒子
“在夸克-胶子等离子体形成并冷却后，产生了如此多的粒子，背景是压倒性的，”李说
“所以我们必须打破这个背景，这样我们才能最终在数据中看到X粒子
" 为了做到这一点，研究小组使用了一种机器学习算法，他们训练这种算法来识别X粒子的衰变模式
在夸克胶子等离子体中形成粒子后，它们会立即分解成“子”粒子，然后散开
对于X粒子，这种衰变模式或角分布不同于所有其他粒子
由麻省理工学院博士后王静领导的研究人员确定了描述X粒子衰变模式形状的关键变量
他们训练了一种机器学习算法来识别这些变量，然后将LHC碰撞实验的实际数据输入到算法中
该算法能够在极其密集和有噪声的数据集中筛选出可能是X粒子衰变结果的关键变量
“我们设法将背景降低了几个数量级，以看到信号，”王说
研究人员放大信号，观察到特定质量的峰值，表明X (3872)粒子的存在，总共约100个
“从这个巨大的数据集中梳理出这100个粒子几乎是不可思议的，”李说，他和王然一起进行了多次检查来验证他们的观察
“每天晚上我都会问自己，这真的是信号吗？”王回忆道
“而最终，数据说是！” 在未来一两年，研究人员计划收集更多的数据，这将有助于阐明X粒子的结构
如果粒子是一个紧密结合的四夸克，它的衰变应该比松散结合的分子慢
现在，该团队已经表明在夸克胶子等离子体中可以探测到X粒子，他们计划用夸克胶子等离子体更详细地探测这个粒子，以确定X粒子的结构
“目前我们的数据与两者一致，因为我们还没有足够的统计数据
在接下来的几年里，我们将收集更多的数据，这样我们就可以将这两种情况分开，”李说
“这将拓宽我们对早期宇宙中大量产生的粒子种类的看法
"
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