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五夸克态

五夸克粒子是一种次原子粒子，属于奇异强子。五夸克粒子有五个夸克[注 1]。更详细地说，是四个夸克和一个反夸克（表示他的重子数为1）。虽然物理学者预言五夸克粒子存在已很多年了，五夸克态显然很不容易被发现。有些物理学者甚至提议，某种未知自然定律阻止五夸克粒子的出现。[1]

五夸克粒子的两种模型
五夸克袋模型
介子-重子模型
夸克标记为q，反夸克标记为q。传递强相互作用的胶子以波形线来标记。夸克带有的不同色荷对应于不同的颜色。红色、绿色、蓝色是三种不可或缺的颜色；另外剩余的夸克与反夸克必须呈相反颜色，在这里选择为蓝色与反蓝色（以黄色表示）

2000年代，曾经有几个实验报告发现五夸克态的存在[2]，但对于这些实验所获得的数据做重新分析，再加上对于后来完成的实验做分析，所得到的结论是，这些先前得到的结果都是统计效应，而不是真实的共振[3]。2015年7月13日，欧洲核子研究组织的LHCb实验团队报告，在底Λ粒子 （Λ0
b）的衰变反应中，发现了五夸克态，[4]但这结果尚未经过同行评议。2019年3月26日，LHCb宣布他们发现了新的五夸克态。[5]2022年7月5日，LHCb又宣布他们发现了五夸克态PΛ
ψs(4338)0[注 2]。[6]

在粒子物理学实验室之外，五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的过程中自然制成。[7]对于五夸克粒子的研究或许可以帮助洞悉这些恒星怎样形成，也可以让物理学者更加了解强相对作用。

概述

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于2015年7月提出可能已被发现的五夸克粒子P+
c示意图，显示出每一个夸克的风味与一种可能的颜色组合。
主条目：夸克

夸克是一种基础粒子，它拥有质量、电荷、色荷性质，还拥有给出夸克种类（上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克）的风味性质。由于夸克禁闭效应，夸克从未被观测到单独存在。几个夸克可以共同组成复合粒子，称为强子。由一个夸克与一个反夸克共同组成的强子称为介子。由三个夸克组成的强子称为重子。物理学者知道很多关于这些普通强子的性质和行为。没有任何理论规定禁止夸克组成奇异强子，例如，由两个夸克与两个反夸克组成的四夸克粒子，由四个夸克与一个反夸克组成的五夸克粒子。[1]

五夸克粒子有很多不同种类，不同的夸克组合会组成不同的粒子。物理学者使用符号qqqqq来标记五夸克粒子，其中，q与q分别标记夸克与反夸克。符号u、d、s、 c、b、t分别标记上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克；符号u、d、s、c、b、t分别标记对应的反夸克。例如，由两个上夸克，一个下夸克，一个魅夸克，一个反魅夸克组成的五夸克粒子标记为uudcc。

在五夸克粒子里，夸克被强作用力束缚在一起，强作用力能够促使所有色荷相互抵销。更仔细说，在介子里，夸克必须与反色荷的反夸克配对在一起，例如，蓝色夸克与反蓝色反夸克；在重子里，三个夸克必须从三种色荷中各自选择不同的色荷，例如，红色、蓝色与绿色。[注 3]在五夸克粒子里，色荷必须相互抵销。唯一可行的组合是设定一个夸克为某颜色，另一个夸克为另一种颜色，另两个夸克为第三种颜色，最后一个夸克为第三种颜色的反颜色。[8]

物理学者尚不清楚五夸克粒子的束缚机制，可能是五个夸克紧紧地束缚在一起，也可能是一个重子与一个介子松松的束缚在一起。[9]

历史

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理论预言

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默里·盖尔曼于1964年最早提议奇异强子存在。1979年，丹尼尔·斯特劳曼（英语：Daniel Strottman）给出模型描述由四个夸克与一个反夸克组成的强子。[10][11][4]

1997年，俄罗斯圣彼得堡科学院核物理学院（英语：Petersburg Nuclear Physics Institute）的理论物理学者马克沁·波利亚科夫（英语：Maxim Polyakov）、维克托·佩特罗夫（英语：Victor Petrov）和德米特里·帝雅克诺夫（英语：Dmitri Diakonov）预言由两个上夸克、两个下夸克与一个奇夸克组成的五夸克粒子存在，并将这种粒子命名为
Θ+
。它的质量约为1530MeV、宽度约为15MeV，比较特别的性质是它的奇异数为1，做实验可以很容易从奇异数辨识出这粒子的存在。[12][13]

2000年代中期

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由于五夸克粒子必须拥有一个反夸克，假若反夸克的风味匹配任何其它夸克的风味，这夸克-反夸克对会相互抵销，因此五夸克粒子会貌似它的三夸克重子，所以许多种类的五夸克粒子都很难在实验里辨识出来。为了避免这问题，早期五夸克粒子探索实验会寻找夸克-反夸克对不相互抵销的粒子。[8]在2000年代中期，有几个实验声称，揭露了五夸克态。特别是2003年在日本春天八号同步辐射设施完成的“春天八号激光电子光子实验”（LEPS实验）显示出质量为1540MeV的共振态，显著性差异为4.6 σ[13]。这实验得到的结果跟1997年波利亚科夫等的理论预言相符合。[14]

在此之后，又有九个独立实验发布报告表示，观测到
n
K+
 与
p
K0
 的狭窄峰值，质量在1522 MeV/c2与1555 MeV/c2之间，显著性差异都超过4 σ[13]。虽然对于这些实验结果的正确性仍旧存有质疑，在2004年《粒子物理学评论（英语：Review of Particle Physics）》里，粒子数据小组（英语：Particle Data Group）给予
Θ+
三颗星评估，最高是四颗星。另外还有两个五夸克态被观察到，它们是质量分别为1860 MeV、3099 MeV的
Φ−−
 (ddssu)与
Θ0
c (uuddc)。它们后来都被更正为统计效应，而不是真实共振态。[13]

在LEPS实验之后，约有十个独立实验试图寻找
Θ+
，但都未获成功。其中两个实验（一个在BELLE，另一个在CLAS（英语：CLAS detector））分别与先前声称观测到
Θ+
粒子的两个实验（DIANA实验（英语：DIANA）与SAPHIR实验（英语：SAPHIR））几乎相同。[13]2006年《粒子物理学评论》总结，[13]

曾经声称观测到
Θ+
的每一个原本实验，都尚未获得高统计量确认。杰佛逊实验室（英语：Jefferson Lab）完成两个高统计量重复实验，它们明确地证实，原本两个声称观测到
Θ+
的实验都不正确。另外，还有一些已完成的高统计量实验，它们都没有找到
Θ+
的蛛丝马迹。关于另外两个声称观测到
Θ+
五夸克态的实验，所有尝试确认那些结果的实验都获得负结果。一般而言，五夸克粒子不存在；特别而言，
Θ+
不存在。这结论显得很有说服力。

2008年《粒子物理学评论》更进一步表示，[3]

近期有两个或三个实验对于在标称质量附近获得薄弱的信号证据，但鉴于压倒性的证据声称五夸克粒子不存在，将它们胪列出来是毫无意义的……整个故事──发现本身、紧跟着像涨潮般的论文、最终的退潮发现──在科学历史上是一集相当古怪的连续剧。

尽管有那么多显目的零结果（英语：null result），LEPS团队于2009年仍旧表示，在质量为1524±4 MeV之处观测到狭窄态存在，显著性差异为5.1 σ。[15]针对这争论，那时期有很多实验如火如荼地进行着。

2015年LHCb结果

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费曼图展示，底Λ粒子 Λ0
b衰变为K介子K−
与一个五夸克粒子P+
c。
 
图为对于Λ0
b→J/ψK−
p衰变的J/ψp不变质量谱的拼凑结果，每一个拼凑部分都被单独展示出来。五夸克粒子贡献出的拼凑部分展示为画斜线的直方图。

2015年7月13日，LHCb实验团队在Λ0
b→J/ψK−
p衰变道辨识出五夸克粒子；在这衰变道里，底Λ粒子 （Λ0
b）衰变为一个J/ψ介子（J/ψ）、一个K介子 （K−
）与一个质子（p）。实验数据显示，有时候，底Λ粒子不会通过Λ*居间态（英语：intermediate state）衰变为一个K介子 （K−
）与一个质子（p），而会间接地通过五夸克居间态（英语：intermediate state）P+
c；两个被发现的居间态P+
c（4380MeV）与P+
c（4450MeV）在统计学的显著性差异分别为9 σ与12 σ，总合起来为15 σ ，足够证实这发现。更多数据分析还排除了这是由普通粒子造成的效应的可能性。[16]LHCb实验又观测到两个五夸克态都强烈地衰变为J/ψp，因此可推论其价夸克拥有两个上夸克、一个下夸克、一个魅夸克与一个反魅夸克；标记为
u

u

d

c

c
，它们是一种魅偶素-五夸克粒子。[4][7][17]

LHCb的主要任务是研究物质-反物质不对称性，而不是探索研究五夸克粒子。[18]欧洲核子研究组织发言人表示，“我们并没有积极地寻找它，我们意外地找到了它。”[9]

2019年根据2015-2018年LHCb的数据观察到新的五夸克粒子，新粒子为P+
c（4312MeV），会衰减成一个质子和一个J/ψ介子（由一个粲夸克和反粲夸克构成）。并观测到2015年发现的五夸克结构P+
c（4450MeV）实际上是由两个质量相近的共振态P+
c（4440MeV）和P+
c（4457MeV）叠加而成。最新观察的统计显著性达到了 7.3 σ，远远超过了 5 σ这个阈值。这三个五夸克态的宽度都很窄，质量略低于Σ+
cD0
和Σ+
cD*0
质量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态，它们为重子和介子分子态的存在提供了迄今为止最有力的实验证据。[19][来源可靠？讨论]

2022年7月欧洲核子研究中心（CERN）LHCb合作组宣布发现一种新的粒子Pcs(4459)0，其夸克组分为 usdcc。

应用

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五夸克粒子的发现让物理学者能够更细致地研究强作用力，从而助益对于量子色动力学的了解。另外，当今理论意味着，当有些非常巨大恒星塌缩时，会制成五夸克粒子，对于五夸克的研究或许可以帮助人们了解中子星的物理。[7]

参见

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注释

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  1. ^ 重子有三个夸克，介子有两个夸克。
  2. ^ 括号中的数目是这个粒子的质量，单位MeV。
  3. ^ 色荷与日常颜色无关，它们只是一种标签，专门用来帮助描述与了解色荷的概念。

参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 H. Muir. Pentaquark discovery confounds sceptics. New Scientist. 2 July 2003 [2010-01-08]. （原始内容存档于2015-07-12）. 
  2. ^ K. Hicks. Physicists find evidence for an exotic baryon. Ohio University. 23 July 2003 [2010-01-08]. （原始内容存档于2016-09-08）. 
  3. ^ 3.0 3.1 See p. 1124 in C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of particle physics (PDF). Physics Letters B. 2008, 667 (1-5): 1 [2015-07-15]. Bibcode:2008PhLB..667....1A. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. （原始内容存档 (PDF)于2017-02-01）. 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 R. Aaij et al. (LHCb collaboration). Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0
    b    →J/ψK−
    p     decays. Physical Review Letters. 2015, 115 (7). doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001.     
  5. ^ LHCb experiment discovers a new pentaquark. CERN. 26 March 2019 [26 April 2019]. （原始内容存档于2021-03-05）. 
  6. ^ Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.. July 5, 2022 [July 5, 2022]. （原始内容存档于2022-09-26）. 
  7. ^ 7.0 7.1 7.2 I. Sample. Large Hadron Collider scientists discover new particles: pentaquarks. The Guardian. 14 July 2015 [2015-07-14]. （原始内容存档于2020-11-08）. 
  8. ^ 8.0 8.1 J. Pochodzalla. Duets of strange quarks. Hadron Physics. 2005: 268. ISBN 161499014X. 
  9. ^ 9.0 9.1 G. Amit. Pentaquark discovery at LHC shows long-sought new form of matter. New Scientist. 14 July 2015 [2015-07-14]. （原始内容存档于2020-11-08）. 
  10. ^ Gell-Mann, Murray. A Schematic Model of Baryons and Mesons (PDF). Phys. Lett. 1964, 8 (3): 214–215 [2015-07-18]. doi:10.1016/S0031-9163(64)92001-3. （原始内容存档 (PDF)于2019-07-24）. 
  11. ^ Strottman, D. Multiquark baryons and the MIT bag model. Phys. Rev. D. 1979, 20 (3): 748–767. doi:10.1103/PhysRevD.20.748. 
  12. ^ Kandice Carter. The Rise and Fall of the Pentaquark. Symmetry Magazine. 2006, 3 (7): 16 [2015-07-16]. （原始内容存档于2020-09-30）. 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of particle physics:
    Θ+
     (PDF). Journal of Physics G. 2006, 33: 1 [2015-07-17]. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. arXiv:astro-ph/0601168  . doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. （原始内容存档 (PDF)于2018-12-21）.     
  14. ^ D. Diakonov, V. Petrov, and M. Polyakov. Exotic anti-decuplet of baryons: prediction from chiral solitons. Zeitschrift für Physik A. 1997, 359 (3): 305. Bibcode:1997ZPhyA.359..305D. arXiv:hep-ph/9703373  . doi:10.1007/s002180050406. 
  15. ^ T. Nakano et al. (LEPS Collaboration). Evidence of the Θ+ in the γd→K+K−pn reaction. Physical Review C. 2009, 79 (2): 025210. Bibcode:2009PhRvC..79b5210N. arXiv:0812.1035  . doi:10.1103/PhysRevC.79.025210. 
  16. ^ Observation of particles composed of five quarks, pentaquark-charmonium states, seen in Λ0
    b    →J/ψpK− decays    . CERN/LHCb. 14 July 2015 [2015-07-14]. （原始内容存档于2017-12-16）.     
  17. ^ P. Rincon. Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle. BBC News. 14 July 2015 [2015-07-14]. （原始内容存档于2015-07-14）. 
  18. ^ Where has all the antimatter gone?. CERN/LHCb. 2008 [2015-07-15]. （原始内容存档于2020-04-04）. 
  19. ^ 存档副本. [2019-03-30]. （原始内容存档于2020-11-12）. 

延伸阅读

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