洛伦佐·卡普里奥蒂和哈里·克利夫，《对话》 四夸克
信用:欧洲核子研究中心，中国科学院 欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机合作宣布发现了一种新的奇异粒子:所谓的“四夸克”
这份由800多名作者撰写的论文还需要由其他科学家在一个名为“同行评议”的过程中进行评估，但已经在一个研讨会上发表了
它也符合声称发现新粒子的通常统计阈值
这一发现标志着世界各地的粒子物理实验室在近20年的研究中取得了重大突破
为了理解什么是四夸克以及这个发现为什么重要，我们需要回到1964年，那时粒子物理学正处于一场革命之中
披头士狂热刚刚爆发，越南战争正在激烈进行，新泽西州的两位年轻的射电天文学家刚刚发现了宇宙大爆炸理论有史以来最强有力的证据
在美国的另一边，在加州理工学院，在大西洋的另一边，在瑞士的欧洲粒子物理研究所，两位粒子物理学家就同一主题发表了两篇独立的论文
两者都是关于如何理解过去20年中发现的大量新粒子
许多物理学家努力接受这样一个事实，即宇宙中可能存在如此多的基本粒子，即众所周知的“粒子动物园”
加州理工学院的乔治·茨威格和欧洲粒子物理研究所的默里·盖尔·曼也找到了相同的解决方案
如果所有这些不同的粒子真的是由更小的、未知的积木组成，就像元素周期表中的百余种元素是由质子、中子和电子组成一样，会怎么样？茨威格称这些积木为“王牌”，而盖勒-曼选择了我们今天仍在使用的术语:“夸克”
我们现在知道有六种不同的夸克——上夸克、下夸克、魅力夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克
这些粒子也有各自带相反电荷的反物质伴侣，它们可以根据基于对称性的简单规则结合在一起
由夸克和反夸克组成的粒子称为“介子”；而三个夸克结合在一起形成“重子”
构成原子核的熟悉的质子和中子是重子的例子
这个分类方案完美地描述了20世纪60年代的粒子动物园
然而，即使在他最初的论文中，盖勒-曼也意识到夸克的其他组合也是可能的
例如，两个夸克和两个反夸克可能粘在一起形成一个“四夸克”，而四个夸克和一个反夸克会形成一个“五夸克”
外来粒子 快进到2003年，日本KEK实验室的贝尔实验报告了一个新介子的观测结果，这个介子被称为X(3872)，它显示出与普通介子截然不同的“奇异”性质
LHCb检测器
信用:M
布莱斯，J
奥丹/欧洲核子研究中心)，中国北方 在接下来的几年里，发现了几个新的奇异粒子，物理学家开始意识到，只有当这些粒子是由四个而不是两个夸克组成的四夸克时，才能成功地解释它们
然后，在2015年，欧洲粒子物理研究所的LHCb实验发现了第一个由五个夸克组成的五夸克粒子
迄今为止发现的所有四夸克和五夸克都包含两个相对较重的魅力夸克，以及两三个轻夸克——上夸克、下夸克或奇异夸克
这种特殊的结构确实是实验中最容易发现的
但是最近由LHCb发现的四夸克，被称为X(6900)，由四个魅力夸克组成
新的四夸克是在大型强子对撞机的高能质子碰撞中产生的，通过它衰变为一对著名的粒子，称为J/psi介子，每个粒子由一个魅力夸克和一个魅力反夸克组成
这使它变得特别有趣，因为它不仅完全由重夸克组成，而且由四个相同种类的夸克组成——这使得它成为检验我们对夸克如何结合在一起的理解的独特样本
目前，有两种不同的模型可以解释夸克是如何结合在一起的:有可能它们是强结合的，产生了我们所说的致密四夸克
或者，夸克被排列成两个介子，松散地粘在一起形成一个“分子”
普通分子是由被电磁力结合在一起的原子组成的，电磁力作用于带正电荷的原子核和带负电荷的电子之间
但是介子或重子中的夸克通过不同的力“强力”连接在一起
令人着迷的是，遵循不同规则的原子和夸克都可以形成非常相似的复杂物体
这种新粒子似乎最符合致密的四夸克，而不是双介子分子，这是对以前发现的最好解释
这使得它不寻常，因为它将允许物理学家详细研究这种新的结合机制
这也暗示了其他重致密四夸克的存在
微观宇宙之窗 夸克之间的强大作用力遵循非常复杂的规则——事实上非常复杂，通常计算其影响的唯一方法是使用近似值和超级计算机
X(6900)的独特性质将有助于理解如何提高这些近似值的准确性，以便在未来我们能够描述其他更复杂的物理机制，这些机制是我们今天无法企及的
自从发现X星(3872年)以来，对外来粒子的研究蓬勃发展，数百名理论和实验物理学家共同努力，为这个令人兴奋的新领域带来了一些曙光
新的四夸克的发现是一个巨大的飞跃，表明仍然有许多新的外来粒子在那里，等待着有人来揭开它们
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