编者注：以下文章经许可转载自对话，这是一个涵盖最新研究的在线出版物。
自从2012年壮观地发现了希格斯玻色子以来，位于日内瓦郊外的大型强子对撞机 (LHC) 的物理学家们在寻找新粒子方面遭遇了一点点“干旱”。令人欣慰的是，LHCb合作组，他们运行着LHC的四个大型实验之一，宣布了迄今为止从27公里长的超级对撞机中得出的最令人兴奋的观测结果之一——一种无法用当前理论解释的奇异粒子。
在20世纪30年代早期，物理学家们对构成我们世界的亚原子粒子有一个清晰的认识。每个已知的原子在其中心都有一个微小的原子核，周围环绕着一团电子，而每个原子核都由不同数量的质子和中子构成。然而，随着几十年过去，许多新的、有些不受欢迎的粒子被发现，最初是在研究来自外太空粒子的探测器中，后来在粒子对撞机实验中被发现。
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到了20世纪50年代，已经发现了数十种显然是基本粒子的粒子，这让经常以无法记住事实列表为荣的物理学家感到沮丧。著名的物理学家恩里科·费米也许最好地表达了他的同事们当时的心情，他曾说过一句臭名昭著的话：
“年轻人，如果我能记住这些粒子的名字，我早就成为植物学家了。”
1950年代，物理学家们提出了一个新的模型，解释了大多数这些粒子是由少数真正基本粒子构成的，这带来了帮助。借用詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的守灵夜》（一本比量子场论更难理解的书）中的一句话，默里·盖尔曼将这些新粒子称为“夸克”。
到20世纪60年代后期，夸克的存在已经得到了实验验证。我们现在知道，总共有六种夸克——上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，以及六种反夸克（它们的反物质副本）。
夸克模型巧妙地解释了所有这些奇特的粒子。质子、中子和其他许多粒子都是由三个夸克组成的，属于一个称为重子的家族。或者，一个夸克和一个反夸克可以配对形成一个介子。
从那时起，夸克模型就非常成功，现在是我们理解粒子物理学的基石。直到千禧年之交，一些奇怪的结果才开始暗示该模型可能不完整。直到2003年，夸克才被看到成对或成三重出现，但随后一些看起来像是四个夸克组合的粒子开始显现出来。
2008年，日本的贝儿合作组报告说，他们观察到一种新的奇异粒子——不幸地被命名为Z(4430)–（其中–表示它的负电荷）。它的质量使其位于密集的粲偶素态森林中——这些粒子是由一个粲夸克和一个粲反夸克组成的。但至关重要的是，Z是带电的，而所有粲偶素态必须是中性的，这清楚地表明它是不寻常的。
在仔细分析了2011年和2012年LHC中180万亿次碰撞产生的25,000个介子衰变的数据后，新的公告以极高的置信度证实了Z(4430)–的存在。该粒子的观测具有13.9 σ的压倒性显著性，远高于宣布发现所需的通常的5 σ阈值。LHCb还比贝儿更进一步，测量了Z(4430)–的自旋和宇称，这两个量子力学特性可以很好地把握粒子的内部构成。
LHCb的观测非常重要，因为很少有物理学家会在两个独立的实验中看到结果之前认真对待该结果。这就是为什么花费数亿欧元在LHC建造两个大型探测器的原因。两个独立的团队ATLAS和CMS对希格斯玻色子的观测真正说服了科学界该粒子的真实性。
这个结果是迄今为止四夸克存在的最明确的证据——四夸克态，LHCb的分析表明，Z(4430)–最有可能由一个粲夸克、一个反粲夸克、一个下夸克和一个反上夸克组成。理论家现在可以将一种全新的粒子添加到夸克模型中，并开始努力尝试理解这四个夸克是如何结合在一起的。
与此同时，在LHC实验中工作的物理学家将继续探索亚原子世界的未知的区域，希望发现这个奇异新家族的更多成员。既然我们知道至少有一个存在，那么Z(4430)–很可能不是孤独的。
哈里·克利夫隶属于剑桥大学、欧洲核子研究中心和LHCb实验。