人類對(duì)于構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子的探索，總是永無(wú)止境。

近日，歐洲核子研究中心召開(kāi)發(fā)布會(huì)，宣布觀測(cè)到由五夸克組成的重子態(tài)。從四夸克到五夸克物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類離認(rèn)識(shí)自然界的本質(zhì)又近了一步。

而這其中，就有我國(guó)清華大學(xué)高原寧團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)科研人員所作出的貢獻(xiàn)。

四夸克到五夸克

1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出“夸克模型”，認(rèn)為質(zhì)子和中子不是基本粒子，而是由3個(gè)夸克組成的。這類粒子被統(tǒng)稱為重子，另外一類被稱為介子的粒子則由一對(duì)正反夸克組成。這就是傳統(tǒng)的“夸克模型”。

統(tǒng)的夸克模型認(rèn)為，介子由1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成，重子由3個(gè)夸克或3個(gè)反夸克組成。介子和重子被統(tǒng)稱為強(qiáng)子，但在高能物理領(lǐng)域，描述強(qiáng)相互作用的理論并不排除以其他方式組成的粒子，如多夸克態(tài)、膠子球、夸克膠子混雜態(tài)等。

蓋爾曼也提到，可能存在奇特類型的粒子，比如在介子或重子中加入一對(duì)正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。

為尋找這些奇特態(tài)的粒子，數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家付出了巨大的努力。曾有多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)宣布發(fā)現(xiàn)五夸克粒子，但其研究結(jié)論相繼被后來(lái)的實(shí)驗(yàn)推翻。 直到2013年，以中科院高能物理所研究團(tuán)隊(duì)為代表的中國(guó)科學(xué)家，在北京譜儀實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了Zc（3900）粒子。這被學(xué)界公認(rèn)為是四夸克態(tài)存在的證據(jù)。

如今，科學(xué)家再次在這一領(lǐng)域取得重大突破。

LHC底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置之一，合作組由來(lái)自16個(gè)國(guó)家、68個(gè)單位的1133名成員組成。

五夸克粒子的發(fā)現(xiàn)，正是通過(guò)LHCb得以實(shí)現(xiàn)的。在研究中，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)觀測(cè)了Λb重子在LHCb中衰退或轉(zhuǎn)換為3種其他粒子的方式。研究發(fā)現(xiàn)，在3種粒子的產(chǎn)生過(guò)程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)居間態(tài)粒子。

“我們分析了這些信號(hào)的所有可能性，認(rèn)為只有五夸克粒子能解釋它們?！蔽锢韺W(xué)家托馬斯？斯克瓦爾尼茨基表示。

中國(guó)科學(xué)家的貢獻(xiàn)

應(yīng)當(dāng)說(shuō)，在LHCb的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)中，中國(guó)科學(xué)家起的作用很大。

目前，LHCb中國(guó)組由清華大學(xué)、華中師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員組成。在LHCb實(shí)驗(yàn)的8個(gè)物理課題工作組中，中國(guó)組成員擔(dān)任了兩個(gè)工作組的召集人。

清華大學(xué)副教授楊振偉便是LHCb實(shí)驗(yàn)“底強(qiáng)子與夸克偶素”物理工作組的召集人，而發(fā)現(xiàn)五夸克物質(zhì)的研究就是在該工作組完成的。

LHCb中國(guó)組負(fù)責(zé)人、清華大學(xué)教授高原寧，同時(shí)是北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組執(zhí)行委員會(huì)委員。也就是說(shuō)，他同時(shí)參與了四夸克物質(zhì)和五夸克物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)與研究。

“LHCb的實(shí)驗(yàn)，使人們相信自然界中除了常規(guī)物質(zhì)，確實(shí)存在奇特態(tài)物質(zhì)?！睂?duì)于此次發(fā)現(xiàn)，高原寧如是說(shuō)。

那么，五個(gè)夸克是以什么型態(tài)構(gòu)成奇特重子呢？對(duì)此，清華大學(xué)副教授張黎明指出，一種觀點(diǎn)認(rèn)為，五個(gè)夸克構(gòu)成緊密的統(tǒng)一體，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為這是由一個(gè)重子和一個(gè)介子相互作用構(gòu)成的類似于分子的結(jié)構(gòu)。但目前該問(wèn)題尚無(wú)定論，仍須進(jìn)一步深入研究。

或許還有六夸克

“五夸克粒子不僅僅是一種新粒子?！盠HCb發(fā)言人蓋？威爾金森表示，它代表普通的質(zhì)子和中子的基本組成單元——夸克新的組合方式，它們的組合類型在過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)的研究中從未被發(fā)現(xiàn)過(guò)。

那么，發(fā)現(xiàn)五夸克粒子和此前北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的四夸克粒子有什么不同呢？對(duì)此，北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組發(fā)言人、中科院高能所研究員沈肖雁告訴記者，從物理意義上來(lái)說(shuō)，發(fā)現(xiàn)五夸克粒子或四夸克粒子并沒(méi)有什么不同，都是豐富了人類對(duì)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

“按照此前物理學(xué)家的理論，多夸克粒子如果存在，肯定不只四夸克粒子這一種，因此五夸克粒子的發(fā)現(xiàn)也很正常。四夸克、五夸克粒子都是多夸克粒子的一種?！鄙蛐ぱ阏f(shuō)。

他進(jìn)一步指出，此前物理學(xué)家早已預(yù)言有多夸克物質(zhì)存在?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)多夸克物質(zhì)，只是證明了這一理論的正確性?！笆聦?shí)上，如果存在多夸克物質(zhì)，一定會(huì)有很多種。除了四夸克、五夸克，應(yīng)該還有六夸克物質(zhì)的存在。”

那么，人類何時(shí)能發(fā)現(xiàn)新的奇特態(tài)粒子呢？或許，對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這需要一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣。正如高原寧所說(shuō)，“對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，很多時(shí)候你并不知道將得到什么樣的結(jié)果”。