大型强子对撞机 (LHC) 也是一个大型强子发现者。这座位于瑞士日内瓦附近的原子对撞机最出名的是在 2012 年证实了希格斯玻色子的存在，这一发现为当前基本粒子分类的最后一块基石奠定了基础。但 LHC 也捕获了数十种称为强子的非基本粒子——这些粒子像质子和中子一样，由夸克组成。
最新的强子在 7 月 29 日举行的欧洲物理学会虚拟会议上首次亮相，当时纽约州雪城大学的粒子物理学家伊万·波利亚科夫公布了一种以前未知的由四个夸克组成的奇异强子。根据帕特里克·科彭堡（Patrick Koppenburg）（荷兰国家亚原子物理研究所 Nikhef 的粒子物理学家）的统计，这使 LHC 的强子数量增加到 62 个。“这些都是世界首创，”科彭堡说，他常驻欧洲粒子物理实验室 CERN，该实验室是 LHC 的所在地。
被称为标准模型的既定粒子体系描述了物质的基本组成部分以及作用于它们的基本力。它包括六种夸克味、它们的六种反物质对应物以及几种其他基本粒子，包括电子和光子。标准模型还包括夸克如何形成称为强子的复合粒子的规则。夸克通过强核力结合在一起，强核力是四种基本力之一。自然界中最常见的两种夸克被称为“上”和“下”；它们的可能组合包括中子（一个上夸克和两个下夸克）和质子（两个上夸克和一个下夸克）。
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质子是唯一已知在隔离状态下稳定的强子——中子仅在掺入原子核时才稳定。所有其他强子都只是在其他粒子的碰撞中短暂形成，并在不到一秒的时间内衰变。因此，LHC 通过引起质子之间的高能正面碰撞来创造新型强子。
夸克四重奏
LHC 的大多数新型强子都是由 LHCb 发现的，LHCb 是容纳 LHC 的 27 公里圆形隧道中的四个巨型探测器之一，波利亚科夫宣布的粒子也不例外。通过筛选质子碰撞碎片的数据，波利亚科夫和他在莫斯科理论与实验物理研究所的合作者瓦尼亚·别利亚耶夫发现了“四夸克”（一种四夸克强子）Tcc+ 的预期特征。
四夸克非常不寻常：大多数已知的强子由两个或三个夸克组成。第一个四夸克于 2003 年在日本筑波的高能加速器研究机构 (KEK) 被发现，LHCb 已经看到了更多。但新的四夸克很奇怪。以前的四夸克很可能是像分子中的原子一样相互连接的普通夸克双联体对，但理论物理学家马雷克·卡利纳认为，最新的四夸克可能是一个真正的、紧密结合的四重体。“这意义重大。这是一个新的动物，而不是强子分子。它是同类中的第一个，”以色列特拉维夫大学的卡利纳说，他帮助预测了与 Tcc+ 具有相同性质的粒子的存在，那是在 2017 年。
别利亚耶夫说，在自然界中，四夸克可能只存在于宇宙的最初瞬间，当时所有物质都被压缩在一个极其狭小的空间里。但重新创造它们有助于物理学家检验他们关于粒子如何通过强核力相互作用的理论。
数据显示新粒子的特性非常精确，以至于别利亚耶夫惊呆了。“我的第一反应是：这是我的错误，”他说。例如，粒子的质量约为质子的 4 倍，其误差范围比希格斯玻色子的发现误差小近 3000 倍。别利亚耶夫补充说，Tcc+ 可能早在 LHC 的早期数据中就已经被发现，但他和他的 LHCb 同事直到现在才发现它，因为他们还有一长串其他粒子要寻找。
无限的可能性
寻找新强子的工作将继续进行。夸克的数十种组合可以产生强子。卡利纳说，有 50 种可能的双夸克强子，其中除一种外都已被观察到，还有 75 种可能的夸克三联体（以及同样多的反夸克三联体），其中已观察到近 50 种。“我们确信所有其他强子都存在，但它们很难制造，”卡利纳说。
此外，对于每种夸克组合，几乎都有无限数量的可能的更重的“激发态”——例如，通过它们的自旋速度来区分——每种都被归类为单独的粒子。许多已经在实验中被发现，事实上，科彭堡目录中的大多数粒子都是激发态。“谁知道还有多少其他状态只是隐藏在众目睽睽之下，坐在笔记本电脑的数据中，”科彭堡说，他和波利亚科夫和别利亚耶夫一样，都是 LHCb 合作组织的成员。
但他也想知道是否应该将所有这些发现都视为离散粒子。“我越来越相信我们需要更好地定义什么是粒子，”他说。
本文经许可转载，最初于 2021 年 8 月 10 日首次发表。