新发现！夸克聚变！

陈生梅+李梅霞+瑞安·F.曼德尔鲍姆

瑞士大型强子对撞机項目的科学家宣称，他们发现了一种令人激动的新粒子，或者说是粒子结合体。这种粒子的影响力远不及5年前被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子，但也着实让人议论纷纷，许多人都想从陈旧实验中得出众多颇有争议的新结果。

大型强子对撞机（LHC）的底夸克探测器（LHCb）发现了一种新粒子：双粲重子，又被称为Ξcc++。你或许还记得原子核由质子和中子构成。质子有两个上夸克和一个下夸克，带一个单位正电荷。中子则具有一个上夸克和两个下夸克，电荷为零。新发现的双粲重子含有一个上夸克和两个粲夸克，带两个单位电荷。

来自荷兰国家核物理研究院的物理学家帕特里克·科彭伯格说：“我们需要成对的粲夸克，但同一个粒子中含有两个粲夸克非常罕见。”粲夸克是已知的六种夸克之一，另外五种分别是上夸克、下夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克。他说其中最重的是粲夸克、底夸克（又称美夸克）和顶夸克（又称真夸克），但是顶夸克太重，无法与其他夸克一起排列。理论上来讲，其余的夸克可以排列进含有2个至5个夸克的群组，而且如果物体温度够高，还可以融进夸克液体中。

但“含有两个重夸克，一个粲夸克或底夸克”且带有3个或3个以上夸克的“大多数这类粒子”尚未发现。科彭伯格说：“从某种意义上来讲，这还是头一次。”

科彭伯格说，早在2002年，就出现了一个颇具争议的结果，当时配基系统进化技术（SELEX）团队在伊利诺伊州的费米国立加速器实验室宣称，他们发现了一种名为Ξcc+的粒子，即带有单电荷的双粲重子（注意是一个加号而不是两个）。这种粒子同样含有两个粲夸克，但与底夸克探测器（LHCb）发现的新粒子不同的是，它含有一个下夸克。一个加号的粒子也有一个跟质子一样的基本电荷。

科彭伯格说，随后又有数次实验想再现配基系统进化技术（SELEX）团队的粒子，但都没能成功。新粒子的出现使人们更加怀疑配基系统进化技术发现的真伪。科彭伯格又补充道：“底夸克探测器（LHCb）发现的粒子与配基系统进化技术团队发现的粒子质量截然不同，他们提出的那个质量根本就不可能存在。”新的双粲重子的质量约为3600兆电子伏，相当于质子质量的4倍。两种粒子的组成差别只在于很轻的上、下夸克之间，不过，配基系统进化技术团队发现的粒子的

质量还不到100兆电子伏。

即将发表在《物理评论快报》上的一篇由欧洲核子研究委员会（CERN）撰写的论文指出，过去试图重现配基系统进化技术粒子的实验与原初实验不同，因此，这些“结果并不能说明原始数据有问题”。

我拜访了卡内基·梅隆大学的物理学教授兼配基系统进化技术团队发言人詹姆斯·拉斯，我去的时候他恰好在看这篇论文。他告诉我，这两种有争议的粒子的确不同，并说配基系统进化技术团队的结论没有问题。他支持自己实验中观察到的粒子，并说底夸克探测器的结果也很重要。他补充道：“新的观察资料会推动理论向某个特定方向发展，因此底夸克探测器的结果的确也很重要。”

拉斯看过底夸克探测器的论文之后说：“底夸克探测器的结论颇为可信。”他认为很轻的下夸克造成了如此大的质量差异，不太可能与夸克性质的差异有关。“两个实验分析似乎都没有错，如果两者都存在，那么应该就有相关理论阐释为何同样是双粲重子的系统，却表现得如此不同。”

这些问题研究起来都是困难重重。科学家正在极力探寻难以捕捉的粒子，它们的速度不到1皮秒， 或者说是兆分之一秒。但是由于它们的移动速度接近光速，在衰变成底夸克探测器实验中检测到的粒子之前，仍然运动了数毫米。特定粒子能启动一个触发器，以保存实验相关数据，进行后续分析。再现粒子留下的特定轨迹可以帮助研究人员搞清楚他们是否找到了自己想要的粒子。

这种粒子作为一个信号出现在其他物理和其他粒子飞过探测器产生的背景噪声上。因此，科学家认识到，12西格玛的意义重大，能说明他们观察到的绝不可能是碰巧看起来像新粒子的任意噪音。

无论过去的结果怎样，与我交谈的底夸克探测器团队的科学家均指出，这种新发现的粒子使他们从总体上更好地了解粒子物理学，并能进一步细化他们的相关理论，探讨夸克聚合时的反应。

锡拉丘兹大学物理学家谢尔登·斯通这样说：“我们深知自然界中存在比先前所知更复杂的结构。”除了在实验中，这种新粒子不可能真正存在于地球上，但可能存在于宇宙大爆炸后，当时宇宙物质变得高度密集，温度极高。了解夸克自行排列的方式可能会进一步洞察原始时代的物理学。

斯通说：“反驳某种理论能让人兴奋不已，大批理论家都对新粒子虎视眈眈。”

另一个研究小组发现，在一对夸克之间可能存在一个产生这种粒子的聚变反应，而另一些则释放能量。对于如何寻找这样的反应，他们有一些想法，但夸克炸弹很快问世则没有可能。底夸克和粲夸克的短暂寿命阻碍了这种反应的实际应用。

双粲重子由一个上夸克和两个粲夸克组成。将这些粲夸克结合在一起需要耗费相当大的能量，之后将剩余的能量释放。释放量相当于太阳内部发生核聚变反应所产生的能量。这个量在个体反应中相对较小，甚至比发送一个字节的数据的能量总数还要小，但若假设它发生在亚原子粒子中，那这个量算很大了。

学者写道：“假设合成粒子真的存在，那么基于较重的底夸克的聚变反应可以释放出比双粲重子多10倍的能量。”然而，想要实现这种反应十分困难。我们所知道的底夸克只停留不到1秒，在欧洲核子研究委员会LHCb实验的2-22毫米之间游弋，随后就失去能量，变成像在大气层中碎裂的流星一样的粒子。

除了这种科幻小说般不切实际的“夸克聚变”之外，还有一些令人振奋的消息。华盛顿大学物理学家杰拉尔德·米勒在《自然新闻与观点》一书中写道：“高度结合能量意味着或许还有包含粲夸克或底夸克，而非上、下夸克的异原子。”谁知道呢？这就是物理。宇宙间的一切都奇奇怪怪，地球也不例外。