在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) (LHC) 的重離子碰撞中產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體中發(fā)現(xiàn)了一種由四個(gè)夸克組成的神秘“X”粒子，首次發(fā)現(xiàn)于 2003 年。這一觀察是由從事歐洲核子研究中心緊湊型介子螺線管 (CMS) 實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家進(jìn)行的，如果得到證實(shí)，它可以幫助研究人員了解這種奇異粒子的結(jié)構(gòu)。對(duì)該粒子的進(jìn)一步研究可以幫助解釋我們熟悉的強(qiáng)子，如質(zhì)子和中子，是如何由被認(rèn)為存在于早期宇宙中的夸克-膠子等離子體形成的。
這種奇異的 X 粒子——正式名稱為 X(3872)，因?yàn)樗馁|(zhì)量為 3872 MeV——最早是由日本的貝爾實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。隨后在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的其他實(shí)驗(yàn)中對(duì)其進(jìn)行了研究，但其性質(zhì)尚不完全清楚。它可能是一個(gè)緊密結(jié)合的四夸克(一個(gè)包含四個(gè)夸克的粒子)或一個(gè)包含兩個(gè)介子(每個(gè)包含兩個(gè)夸克)的更松散結(jié)合的“分子”狀態(tài)。
其他人則認(rèn)為這可能更奇怪。“一個(gè)常見(jiàn)的假設(shè)是，X(3872) 可能是傳統(tǒng)的粲-反粲對(duì)和四夸克或分子的疊加，”夏威夷大學(xué)的粒子物理學(xué)家Tom Browder說(shuō)，他是 Belle 合作和現(xiàn)在在其繼任者 Belle II 上工作。
深入了解強(qiáng)子化
研究夸克-膠子等離子體中 X 粒子的產(chǎn)生有助于解決這一爭(zhēng)論。這是因?yàn)轭A(yù)計(jì)不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在夸克 - 膠子等離子體內(nèi)具有不同的衰減率。研究這個(gè)系統(tǒng)的另一個(gè)原因是，宇宙中的正常物質(zhì)(質(zhì)子和中子)被認(rèn)為是在大爆炸后的幾分之一秒內(nèi)從夸克-膠子等離子體中凝結(jié)出來(lái)的——這一過(guò)程稱為強(qiáng)子化。研究像 X(3872) 這樣的外來(lái)粒子衰變?yōu)檎ＡＷ涌梢詾檫@一過(guò)程提供有價(jià)值的見(jiàn)解。
問(wèn)題是，即使在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等強(qiáng)大的對(duì)撞機(jī)中，也極難將質(zhì)子或電子等粒子加速到足夠的能量以在它們發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生夸克-膠子等離子體。然而，還有另一種選擇：“雖然夸克-膠子等離子體預(yù)計(jì)不會(huì)在質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中產(chǎn)生……但這是 LHC 能量重離子碰撞中的普遍現(xiàn)象，” Yen-Jie Lee和Jing Wang寫(xiě)道麻省理工學(xué)院。
德州農(nóng)工大學(xué)的核理論家拉爾夫·拉普(未參與這項(xiàng)研究)解釋了這種方法的潛力：“我們讓這些重離子碰撞，形成夸克-膠子等離子體，它存在一段時(shí)間，它會(huì)膨脹并轉(zhuǎn)化回強(qiáng)子物質(zhì)，進(jìn)一步擴(kuò)大，”他說(shuō)。“這個(gè)火球在量子色動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度上的壽命相對(duì)較長(zhǎng)，如果實(shí)驗(yàn)者能夠在兩倍的范圍內(nèi)確定 [X 粒子] 的產(chǎn)生，那么我們就可以了解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。”
嘈雜的背景
不幸的是，重離子的大小帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。雖然它們的質(zhì)量使它們更容易加速到高能量，但它們內(nèi)部的復(fù)雜性意味著它們的碰撞會(huì)產(chǎn)生許多不同的最終狀態(tài)。因此，試圖在這片背景噪音的海洋中觀察 X 粒子的衰變是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。
為此，CMS Collaboration 的 Wang、Lee 及其同事轉(zhuǎn)向了機(jī)器學(xué)習(xí)算法。他們使用計(jì)算機(jī)模擬 X 粒子衰變和產(chǎn)生具有不同能量和動(dòng)量的相同粒子的常規(guī)衰變路徑。然后他們教算法識(shí)別每種情況下 CMS 中產(chǎn)生的信號(hào)之間的差異。最后，他們將算法設(shè)置為梳理 LHC 2018 年 130 億次鉛離子碰撞的數(shù)據(jù)集，以搜索 X 粒子衰變。
研究人員報(bào)告檢測(cè)到大約 100 個(gè) X 粒子衰變，這對(duì)應(yīng)于高于背景 4.2σ 的統(tǒng)計(jì)顯著性。此外，數(shù)據(jù)表明夸克-膠子等離子體中的 X 粒子產(chǎn)生率可能會(huì)提高，盡管此處的結(jié)果在統(tǒng)計(jì)上并不顯著。
運(yùn)行 3 數(shù)據(jù)
“目前的精度仍然不足以得出 X(3872) 粒子的性質(zhì)，”Wang 和 Lee 寫(xiě)道。“今年年底，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將啟動(dòng) Run 3，然后我們將收集更多數(shù)據(jù)。此外，我們將在質(zhì)子-鉛碰撞等其他碰撞系統(tǒng)中測(cè)量 X(3872) 粒子。”
“這是一個(gè)開(kāi)創(chuàng)性的[測(cè)量]，”拉普說(shuō)，“實(shí)驗(yàn)的不確定性仍然很大，由于幾個(gè)原因，我們無(wú)法在這一點(diǎn)上得出強(qiáng)有力的結(jié)論，但事實(shí)上他們可以測(cè)量 [X(3872)] 狀態(tài)重離子碰撞是一個(gè)里程碑。”
Browder 補(bǔ)充說(shuō)：“這非常有趣……他們現(xiàn)在必須放下旗幟，以便在夸克 - 膠子等離子體中檢測(cè) X(3872)，因?yàn)槿绻麄儾贿@樣做，也許下周可能 LHCb、ATLAS 或 ALICE 會(huì)這樣做。盡管統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)非常薄弱——它甚至不能作為證據(jù)——我認(rèn)為對(duì)于社區(qū)來(lái)說(shuō)，這個(gè)暗示它被增強(qiáng)了，可能是 10 倍，這非常有趣。”
