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在瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机 (LHC) 内部出现了两种由奇异类型的夸克构成的新粒子。这些粒子是前所未见的重子种类——重子是包括原子内部常见的质子和中子的粒子类别。人们早就预言了新重子的存在，但它们的具体特征，例如它们的质量，直到在现实中被发现才为人所知。新的测量结果有助于证实和改进现有的亚原子粒子理论，并为包含更多奇异粒子的更深层次理论铺平道路。
对撞机的大型强子对撞机美 (LHCb) 实验的科学家们在 2 月 10 日在物理评论快报上报告了重子的发现，这些重子被称为 Xib'- 和 Xib*-（发音为“zi-b-prime”和“zi-b-star”）。（他们在 11 月份在 arXiv 服务器上发布了论文的预印本。）“这是非常应该存在的两件事，”该研究的合著者、巴黎第六大学皮埃尔和玛丽·居里大学的马修·查尔斯说。“当然，你仍然需要检查，因为偶尔你会得到惊喜。”这两种粒子都包含一个美夸克或 b 夸克、一个奇异夸克和一个下夸克。这些粒子彼此之间，以及之前在 LHC 发现的同三种夸克的另一种组合之间的区别在于夸克自旋的排列方式。
量子自旋
自旋是任何粒子固有的基本量子特征之一，其单位量是离散的，没有单位。所有夸克的自旋都是二分之一。当同一粒子内部的两个夸克沿同一方向旋转时，它们的自旋会加在一起；当它们沿相反方向旋转时，它们的自旋会相互抵消。自旋就像磁铁一样，同性相斥，因此夸克倾向于沿相反方向旋转。需要额外的能量才能使两个夸克沿同一方向自旋。Xib 粒子的最低能量构型是两个最轻的夸克（下夸克和奇异夸克）反向排列，它们的自旋相互抵消为零，而重的 b 夸克沿任一方向自旋，增加二分之一的自旋，总自旋为二分之一。这个基态，称为 Xib*0，于 2012 年在 LHC 被发现。
新发现的两个重子是更高能量的构型。这两个最轻的夸克的自旋都是平行的，加在一起的总自旋为 1。Xib'- 的 b 夸克的自旋与这两个夸克的自旋相反，使粒子的总自旋为二分之一（1 减去二分之一）。在 Xib* 中，所有三个夸克的自旋都对齐，使其总自旋为 1 和二分之一。这种三向对齐需要任何构型中最大的能量，导致 Xib* 成为三种状态中最重的。
在发现粒子之前，物理学家根据一种名为量子色动力学 (QCD) 的理论估计了它们的质量，该理论描述了将夸克结合在一起的强力——自然的四种基本力之一。强力由称为胶子的粒子携带，因此在任何由强力结合在一起的粒子内部也会存在胶子。除了主要的夸克和胶子之外，成对的“虚”夸克和反夸克（夸克的反物质对应物）不断地出现和消失。这个粒子动物园使得基于 QCD 的计算变得极其困难，以至于质量估计只能通过运行复杂模拟的强大超级计算机来完成，这些模拟旨在考虑粒子的所有组成部分。“我们应该有一个理论告诉我们这些粒子应该如何表现，原则上它应该打开新的大门。但在实践中，我们的计算能力非常有限，”马萨诸塞理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克说，他因帮助制定 QCD 而获得诺贝尔奖。
新的 LHCb 测量结果与 Xib 质量的最佳 QCD 预测一致。“这证实了理论方法是正确的，并且我们可以控制计算，”加拿大粒子物理实验室 TRIUMF 的理论家理查德·沃洛申说，他于 2009 年发表了对 Xib 质量的预测。这些测量结果将作为新的数据点来锚定理论。“我们需要更多例子来测试计算方法并探索不同的方法可以教给我们什么，”维尔切克说。“这个系统将帮助我们改进这些技术。”
测试标准模型
到目前为止，新发现的重子根据 QCD 以及更大的物理学“标准模型”表现出来，该模型描述了宇宙中所有已知的粒子。然而，科学家们知道，标准模型不可能是最终的定论，因为它没有解释暗物质——宇宙中似乎使正常物质相形见绌的隐形物质。通过对标准模型的所有预测进行越来越精确的测量，研究人员希望最终找到裂缝，从而找到取代它更大的理论的途径。“这两个粒子本身是完全符合标准模型并且是预期的，”查尔斯说，“但我们希望我们能够在长期内在此基础上超越标准模型。”
像在 LHC 发现的所有新物种（包括著名的希格斯玻色子）一样，Xib 粒子是在加速器 27 公里地下环中高速质子碰撞后产生的。当质子瓦解时，它们的质量和能量会转化为新的粒子。碰撞能量越高，新出现的粒子就越重。今年春天，在进行了两年的升级暂停后，LHC 将以比以往更高的能量重新启动。与早期运行相比，更高的能量应该允许更多更重的粒子出现，有可能揭示最终突破标准模型限制的奇异粒子。