在過(guò)去的幾年里，物理學(xué)家在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了大量新的奇異粒子，其中LHCb合作組的發(fā)現(xiàn)占據(jù)了絕大多數(shù)，包括59種新粒子。
然而，隨著新粒子層出不窮，對(duì)它們的命名也隨之出現(xiàn)了問(wèn)題。近日，LHCb合作組提出了一個(gè)新的粒子命名方案，希望幫助人們?yōu)椴粩嘣鲩L(zhǎng)的粒子領(lǐng)域帶來(lái)一些更清晰的規(guī)則和秩序。
物理學(xué)家的“黑歷史”
粒子物理學(xué)家在起名這件事情上似乎出了名地“笨拙”，他們?cè)诹Ｗ用矫嬗幸欢?ldquo;著名黑歷史”。
在20世紀(jì)，隨著越來(lái)越多的粒子被發(fā)現(xiàn)，粒子命名法變得越來(lái)越令人摸不著頭腦。例如，在粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中，有一類(lèi)粒子被稱(chēng)為輕子，包括“electron”(電子)、“muon”(μ子)，然后還有“tau”(τ子)，但它卻不叫“tauon”。
再舉個(gè)例子，在20世紀(jì)70年代，有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)由兩個(gè)夸克構(gòu)成的新粒子。然而，這個(gè)新粒子究竟該被稱(chēng)為J還是ψ，他們無(wú)法達(dá)成一致。最終，他們尷尬地將這兩個(gè)名字揉在了一起，于是就有了J/ψ。
即使在今天，物理學(xué)家也無(wú)法就第五重的夸克名稱(chēng)達(dá)成一致，它究竟叫底夸克，還是美夸克?因此，你會(huì)看見(jiàn)這兩個(gè)名字時(shí)常被互換使用。
更不要說(shuō)一種被稱(chēng)為“超對(duì)稱(chēng)”的理論所預(yù)言的讓人舌頭打結(jié)的粒子名稱(chēng)了。超對(duì)稱(chēng)理論表明，我們目前所知的每一個(gè)粒子，都有一個(gè)(尚未發(fā)現(xiàn)的)“超伙伴”，比如超夸克(squark)、超μ子(smuon)或者超膠子(gluino)……
有科學(xué)家打趣地說(shuō)，“我私心希望永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱(chēng)，這樣我們就不再需要用到這些聽(tīng)上去有點(diǎn)蠢的詞了”。
復(fù)合強(qiáng)子
LHC一直是被稱(chēng)為新強(qiáng)子的寶庫(kù)。強(qiáng)子是由兩個(gè)或以上夸克構(gòu)成的亞原子粒子。原本這些粒子可以分為兩種類(lèi)型：重子和介子。
重子由三個(gè)夸克組成，比如構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子。而介子則由一個(gè)夸克與一個(gè)反夸克(與夸克質(zhì)量相同但電荷相反的反粒子)配對(duì)而成的。
盡管只有6種不同類(lèi)型的夸克，而且其中只有5種會(huì)構(gòu)成強(qiáng)子，但仍然存在大量可能的組合。
在20世紀(jì)80年代，粒子物理學(xué)家為強(qiáng)子動(dòng)物園設(shè)計(jì)了一個(gè)命名方案，為每個(gè)粒子分配了一個(gè)符號(hào)，比如用希臘字母π表示π介子，也就是最輕的介子。
長(zhǎng)期以來(lái)，所有新發(fā)現(xiàn)的粒子都可以被分為重子或介子，然后納入這一命名方案。但直到幾年前，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了由三個(gè)以上夸克構(gòu)成的奇異強(qiáng)子。例如，由兩個(gè)夸克和兩個(gè)反夸克構(gòu)成的四夸克，以及由四個(gè)夸克和一個(gè)反夸克(或者反過(guò)來(lái))構(gòu)成的五夸克。
第一個(gè)明確的四夸克候選被稱(chēng)作Zc態(tài)，這個(gè)名字是一個(gè)隨機(jī)的選擇，因?yàn)閄和Y已經(jīng)被用來(lái)標(biāo)記其他態(tài)。隨后，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了驚人的五夸克態(tài)，并將它稱(chēng)為Pc。
自2019年左右起，粒子發(fā)現(xiàn)的步伐明顯加快，諸如X、Zcs、Pcs和Tcc等名稱(chēng)幾乎都以臨時(shí)方式分配的，帶來(lái)了一碗名副其實(shí)的粒子“字母湯”。
為新粒子命名缺乏邏輯性，也不可避免地帶來(lái)了一些混亂。例如，一個(gè)格外突出的問(wèn)題是，Zc和Pc中的下標(biāo) “c”，代表了這些強(qiáng)子同時(shí)包含粲和反粲夸克，它們有時(shí)被稱(chēng)為“隱粲”。而Zcs和Pcs中的下標(biāo)“s”，則代表這些強(qiáng)子還包含一個(gè)奇夸克，這種情況也叫“開(kāi)奇”。
那么，像近期被發(fā)現(xiàn)的同時(shí)包含了“開(kāi)粲”(只有粲夸克而沒(méi)有反粲夸克)和“開(kāi)奇”的態(tài)的新粒子，又該怎么命名和區(qū)分呢?
近期發(fā)現(xiàn)的五夸克。(圖/CERN)
新提出的命名方案
由于新發(fā)現(xiàn)的態(tài)的范圍和它們的名稱(chēng)可能變得更加令人困惑，LHCb合作組的粒子物理學(xué)家決定，對(duì)新發(fā)現(xiàn)的粒子來(lái)說(shuō)，是時(shí)候嘗試恢復(fù)一些命名的秩序了。
新提出的命名方案遵循著一些指導(dǎo)原則。首先，基本概念應(yīng)該足夠簡(jiǎn)單，讓非專(zhuān)業(yè)人士也能大致理解，比如，基本符號(hào)用T代表四夸克(tetraquark)，P代表五夸克(pentaquark)。
這套命名方案還應(yīng)該能區(qū)分所有可能的組合，這可以通過(guò)增加上下標(biāo)實(shí)現(xiàn)的。它們負(fù)責(zé)表示每個(gè)粒子是由哪些夸克組成的，以及其他量子信息。但這些應(yīng)該與傳統(tǒng)介子和重子的現(xiàn)有方案一致，也就是重新利用一些現(xiàn)有的符號(hào)。
然而，目前對(duì)奇異強(qiáng)子的命名仍需改變。例如，上面提到的Zcs和Pcs態(tài)將分別被改為T(mén)ψs和Pψs，因?yàn)镴/ψ粒子包含隱粲，換言之，命名通過(guò)ψ和c的下標(biāo)清晰地區(qū)分開(kāi)了隱粲和開(kāi)粲。
LHCb合作組表示，這種命名方案的最后一個(gè)指導(dǎo)原則是，它應(yīng)該被更廣泛的粒子物理學(xué)界所接受。
盡管LHCb合作組發(fā)現(xiàn)了大部分新粒子，這給了他們一些命名權(quán)，但在這一領(lǐng)域還有其他正在進(jìn)行和計(jì)劃進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于科學(xué)的進(jìn)步同樣至關(guān)重要。
LHCb合作組會(huì)與不同的團(tuán)隊(duì)討論了新的命名方案的一般原則和細(xì)節(jié)，并將積極和建設(shè)性的反饋意見(jiàn)納入最終版本。
學(xué)術(shù)交流的重要部分
20世紀(jì)50年代的粒子物理學(xué)，一個(gè)粒子動(dòng)物園逐步被發(fā)現(xiàn)，并最終帶來(lái)了傳統(tǒng)強(qiáng)子的夸克模型。
如今，科學(xué)家也正在創(chuàng)造“粒子動(dòng)物園2.0”，更好地理解夸克如何結(jié)合在一起，成為復(fù)合粒子。
命名方案實(shí)際上是從事粒子物理研究的人之間交流語(yǔ)言的一個(gè)重要部分。團(tuán)隊(duì)希望，這一新方案將有助于正在進(jìn)行的對(duì)強(qiáng)子和它內(nèi)部的強(qiáng)力的探索。
新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括新強(qiáng)子的發(fā)現(xiàn)，都在推動(dòng)理論理解的進(jìn)步。進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)可能終會(huì)帶來(lái)飛躍性的突破。
