LHCb實驗發現兩種新型重子

圖片說明：質量差異光譜：LHCb結果有力地證明了兩種新型粒子Xi_b'- 和 Xi_b*-的存在，這兩種粒子分別位於第一峰和第二峰，置信度高達10西格瑪。圖中黑色的點代表信號采樣，紅色柱狀陰影代表控制試樣，藍色曲線代表包含兩個新粒子的模型擬合結果。Delta_m是Xi_b0 pi-對的質量與Xi_b0粒子和pi-粒子質量之和的差。圖中右上角是更詳細的Xi_b'數據。圖片來源：phys.org

 

2014年11月19日，歐洲核子研究委員會（CNRS）的大型強子對撞機底誇克實驗（LHCb）宣布發現了重子族群中兩種新型粒子。誇克模型可推導出這兩種從未發現過的粒子的存在，即Xi_b'- 和Xi_b*-粒子。2012年，歐洲核子研究委員會在緊湊型繆子螺旋管磁鐵（CMS）實驗中，曾發現一種相關粒子Xi_b*0。LHCb實驗組織已將研究成果整理並發表於Physical Review Letters雜志。

 

正如大家熟知的大型強子對撞機（LHC）加速產生的質子，新型粒子是一種由三個誇克以強作用力結合的重子。盡管誇克的類型不同，新型Xi_b粒子均含有一個底誇克（b），一個奇誇克（s）和一個下誇克（d）。由於底誇克很重，因此Xi-b粒子的質量是質子的6倍。而粒子可能比其組成部分質量之和更重，因為粒子的質量與其組合方式相關。每個誇克都有「自旋」（spin）的屬性。在Xi_b'-粒子中，兩個質量較小的誇克自旋方向相反；而在Xi_b*-粒子中，兩個質量較小的誇克自旋方向相同。這一性質使Xi_b*-粒子的質量較大。

 

「自然界太神奇了，一次性讓我們發現了兩種粒子。」歐洲核子研究委員會巴黎第六大學（Paris VI University）核子物理暨高能物理實驗室（LPNHE）研究人員Matthew Charles說道，「Xi_b'-粒子的質量接近其衰變產物的質量之和。如果它的質量再輕一點點，我們則根本無法根據衰變發現它。」

 

「這個結果著實讓人興奮。感謝LHC實驗室在LHCb實驗中出色的強子識別技術，使我們能夠從中分離出幾乎沒有受到干擾的強烈信號。」紐約雪域大學（Syracuse University）的研究人員Steven Blusk說道，「這個結果再次展示了LHCb探測器卓越的靈敏度和精確度。」

 

除了這些粒子的質量之外，研究小組還深入研究了它們的相對產率、寬度（用來衡量粒子的穩定性）以及一些衰變特征。這個實驗結果與之前基於量子色動力學（Quantum Chromodynamics，QCD）的預測結果一致。

 

量子色動力學是粒子物理學標准模型（Standard Model）的一部分，可用於描述物質中基本粒子的相互作用方式和作用力。通過高精度量子色動力學測試，可以更好地理解誇克動力學這一很難計算的模型。

 

圖片說明：粉色發光體照亮了LHC粒子束管內的模型，它可用於培訓歐洲核子研究委員會的工程師和技術人員。圖片來源：phys.org

 

「如果想在標准模型之外發現新的物理現象，我們首先需要清晰的思維。」荷蘭國家亞原子物理研究所（Nikhef Institute，Amsterdam）的物理學家Patrick Koppenburg說，「如此高精度的研究有助於我們更好地區分標准模型效應和任何未來全新的或預想不到的事情。」

 

實驗使用的數據均來自2011年到2012年間的大型粒子對撞機。為了能在更高能量和更強離子束下運行，大型粒子對撞機現在已停工以做好充分的准備，並預計於2015年春季重新啟動。