夸克有六種類型：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。夸克一起形成被稱為強(qiáng)子的復(fù)合粒子，其中包括質(zhì)子和中子。這一突破性的新發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，在可以幫助科學(xué)家理解夸克將自己“捆綁”在一起形成這些復(fù)合材料的復(fù)雜方式。夸克通常三三兩兩地結(jié)合在一起，形成強(qiáng)子。然而，幾十年來，理論物理學(xué)家一直預(yù)測(cè)存在四夸克和五夸克強(qiáng)子，它們有時(shí)被描述為四夸克和五夸克。

近年來，包括大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)證實(shí)了幾個(gè)這樣的奇異強(qiáng)子存在(如已發(fā)現(xiàn)五夸克)。這些由夸克不同尋常的組合，組成的粒子是研究已知四種自然力中的一種，即結(jié)合質(zhì)子、中子和組成物質(zhì)原子核強(qiáng)相互作用的理想“實(shí)驗(yàn)室”。對(duì)強(qiáng)相互作用的詳細(xì)了解，對(duì)于確定新的、意想不到的過程是新物理學(xué)的標(biāo)志，還是僅僅是標(biāo)準(zhǔn)物理學(xué)來說也是至關(guān)重要。

奇特中的奇特

由四個(gè)夸克組成的粒子已經(jīng)很奇特了，現(xiàn)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)的新粒子，竟是第一個(gè)由四個(gè)相同類型的粲夸克組成，特別是兩個(gè)粲夸克和兩個(gè)反粲夸克。到目前為止，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和其他實(shí)驗(yàn)只觀測(cè)到最多有兩個(gè)粲夸克的四夸克，沒有觀測(cè)到超過兩個(gè)相同類型夸克的四夸克。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)合作研究包括來自19個(gè)不同國(guó)家的1400多名成員，這個(gè)社區(qū)共同努力推動(dòng)完成了這樣的科學(xué)研究目標(biāo)。

曼徹斯特大學(xué)和英國(guó)其他10個(gè)機(jī)構(gòu)在合作中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。新發(fā)現(xiàn)的四夸克揭開了這本科學(xué)書籍又一個(gè)激動(dòng)人心的篇章，讓研究人員可以在極端情況下研究物質(zhì)粒子理論。這個(gè)粒子是一個(gè)極端情況，它是一個(gè)奇異的強(qiáng)子，包含四個(gè)夸克，而不是傳統(tǒng)物質(zhì)粒子中的兩三個(gè)夸克，而且是第一個(gè)包含粲夸克的粒子。研究極端系統(tǒng)使科學(xué)家可以對(duì)理論進(jìn)行壓力測(cè)試，通過對(duì)這種粒子的研究，有可能在未來能在這一類中發(fā)現(xiàn)更多的粒子。

研究將能測(cè)試夸克如何結(jié)合的理論，該理論也控制著質(zhì)子和中子。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)團(tuán)隊(duì)使用粒子搜索技術(shù)發(fā)現(xiàn)了新的四夸克，這種技術(shù)是在平滑的事件背景上，尋找過量的碰撞事件，研究人員篩選了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)第一次和第二次運(yùn)行的完整數(shù)據(jù)集，這兩次運(yùn)行分別發(fā)生在2009年至2013年和2015年至2018年，研究人員在粒子的質(zhì)量分布中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)凹凸，其中包括一個(gè)粲夸克和一個(gè)反粲夸克。

這個(gè)凸起的統(tǒng)計(jì)意義超過五個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，這是能聲稱發(fā)現(xiàn)新粒子的通常閾值，它對(duì)應(yīng)于預(yù)測(cè)存在由四個(gè)粲夸克組成粒子的質(zhì)量。與之前的四夸克發(fā)現(xiàn)一樣，目前還不完全清楚這一新粒子是一個(gè)“真正的四夸克”，也就是由緊密結(jié)合在一起的四個(gè)夸克組成系統(tǒng)，還是一對(duì)弱束縛在類分子結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)夸克粒子。無論哪種方式，新的四夸克都將幫助理論家測(cè)試量子色動(dòng)力學(xué)模型，即強(qiáng)相互作用理論。