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五夸克態

五夸克粒子是一種次原子粒子，屬於奇異強子。五夸克粒子有五個夸克[註 1]。更詳細地說，是四個夸克和一個反夸克（表示他的重子數為1）。雖然物理學者預言五夸克粒子存在已很多年了，五夸克態顯然很不容易被發現。有些物理學者甚至提議，某種未知自然定律阻止五夸克粒子的出現。[1]

五夸克粒子的兩種模型
五夸克袋模型
介子-重子模型
夸克標記為q，反夸克標記為q。傳遞強相互作用的膠子以波形線來標記。夸克帶有的不同色荷對應於不同的顏色。紅色、綠色、藍色是三種不可或缺的顏色；另外剩餘的夸克與反夸克必須呈相反顏色，在這裏選擇為藍色與反藍色（以黃色表示）

2000年代，曾經有幾個實驗報告發現五夸克態的存在[2]，但對於這些實驗所獲得的數據做重新分析，再加上對於後來完成的實驗做分析，所得到的結論是，這些先前得到的結果都是統計效應，而不是真實的共振[3]。2015年7月13日，歐洲核子研究組織的LHCb實驗團隊報告，在底Λ粒子 （Λ0
b）的衰變反應中，發現了五夸克態，[4]但這結果尚未經過同行評議。2019年3月26日，LHCb宣佈他們發現了新的五夸克態。[5]2022年7月5日，LHCb又宣佈他們發現了五夸克態PΛ
ψs(4338)0[註 2]。[6]

在粒子物理學實驗室之外，五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的過程中自然製成。[7]對於五夸克粒子的研究或許可以幫助洞悉這些恆星怎樣形成，也可以讓物理學者更加了解強相對作用。

概述

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於2015年7月提出可能已被發現的五夸克粒子P+
c示意圖，顯示出每一個夸克的風味與一種可能的顏色組合。
主條目：夸克

夸克是一種基礎粒子，它擁有質量、電荷、色荷性質，還擁有給出夸克種類（上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、頂夸克、底夸克）的風味性質。由於夸克禁閉效應，夸克從未被觀測到單獨存在。幾個夸克可以共同組成複合粒子，稱為強子。由一個夸克與一個反夸克共同組成的強子稱為介子。由三個夸克組成的強子稱為重子。物理學者知道很多關於這些普通強子的性質和行為。沒有任何理論規定禁止夸克組成奇異強子，例如，由兩個夸克與兩個反夸克組成的四夸克粒子，由四個夸克與一個反夸克組成的五夸克粒子。[1]

五夸克粒子有很多不同種類，不同的夸克組合會組成不同的粒子。物理學者使用符號qqqqq來標記五夸克粒子，其中，q與q分別標記夸克與反夸克。符號u、d、s、 c、b、t分別標記上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、頂夸克、底夸克；符號u、d、s、c、b、t分別標記對應的反夸克。例如，由兩個上夸克，一個下夸克，一個魅夸克，一個反魅夸克組成的五夸克粒子標記為uudcc。

在五夸克粒子裏，夸克被強作用力束縛在一起，強作用力能夠促使所有色荷相互抵銷。更仔細說，在介子裏，夸克必須與反色荷的反夸克配對在一起，例如，藍色夸克與反藍色反夸克；在重子裏，三個夸克必須從三種色荷中各自選擇不同的色荷，例如，紅色、藍色與綠色。[註 3]在五夸克粒子裏，色荷必須相互抵銷。唯一可行的組合是設定一個夸克為某顏色，另一個夸克為另一種顏色，另兩個夸克為第三種顏色，最後一個夸克為第三種顏色的反顏色。[8]

物理學者尚不清楚五夸克粒子的束縛機制，可能是五個夸克緊緊地束縛在一起，也可能是一個重子與一個介子鬆鬆的束縛在一起。[9]

歷史

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理論預言

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默里·蓋爾曼於1964年最早提議奇異強子存在。1979年，丹尼爾·斯特勞曼（英語：Daniel Strottman）給出模型描述由四個夸克與一個反夸克組成的強子。[10][11][4]

1997年，俄羅斯聖彼得堡科學院核物理學院（英語：Petersburg Nuclear Physics Institute）的理論物理學者馬克沁·波利亞科夫（英語：Maxim Polyakov）、維克托·佩特羅夫（英語：Victor Petrov）和德米特里·帝雅克諾夫（英語：Dmitri Diakonov）預言由兩個上夸克、兩個下夸克與一個奇夸克組成的五夸克粒子存在，並將這種粒子命名為
Θ+
。它的質量約為1530MeV、寬度約為15MeV，比較特別的性質是它的奇異數為1，做實驗可以很容易從奇異數辨識出這粒子的存在。[12][13]

2000年代中期

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由於五夸克粒子必須擁有一個反夸克，假若反夸克的風味匹配任何其它夸克的風味，這夸克-反夸克對會相互抵銷，因此五夸克粒子會貌似它的三夸克重子，所以許多種類的五夸克粒子都很難在實驗裏辨識出來。為了避免這問題，早期五夸克粒子探索實驗會尋找夸克-反夸克對不相互抵銷的粒子。[8]在2000年代中期，有幾個實驗聲稱，揭露了五夸克態。特別是2003年在日本春天八號同步輻射設施完成的「春天八號激光電子光子實驗」（LEPS實驗）顯示出質量為1540MeV的共振態，顯著性差異為4.6 σ[13]。這實驗得到的結果跟1997年波利亞科夫等的理論預言相符合。[14]

在此之後，又有九個獨立實驗發佈報告表示，觀測到
n
K+
 與
p
K0
 的狹窄峰值，質量在1522 MeV/c2與1555 MeV/c2之間，顯著性差異都超過4 σ[13]。雖然對於這些實驗結果的正確性仍舊存有質疑，在2004年《粒子物理學評論（英語：Review of Particle Physics）》裏，粒子數據小組（英語：Particle Data Group）給予
Θ+
三顆星評估，最高是四顆星。另外還有兩個五夸克態被觀察到，它們是質量分別為1860 MeV、3099 MeV的
Φ−−
 (ddssu)與
Θ0
c (uuddc)。它們後來都被更正為統計效應，而不是真實共振態。[13]

在LEPS實驗之後，約有十個獨立實驗試圖尋找
Θ+
，但都未獲成功。其中兩個實驗（一個在BELLE，另一個在CLAS（英語：CLAS detector））分別與先前聲稱觀測到
Θ+
粒子的兩個實驗（DIANA實驗（英語：DIANA）與SAPHIR實驗（英語：SAPHIR））幾乎相同。[13]2006年《粒子物理學評論》總結，[13]

曾經聲稱觀測到
Θ+
的每一個原本實驗，都尚未獲得高統計量確認。傑佛遜實驗室（英語：Jefferson Lab）完成兩個高統計量重複實驗，它們明確地證實，原本兩個聲稱觀測到
Θ+
的實驗都不正確。另外，還有一些已完成的高統計量實驗，它們都沒有找到
Θ+
的蛛絲馬跡。關於另外兩個聲稱觀測到
Θ+
五夸克態的實驗，所有嘗試確認那些結果的實驗都獲得負結果。一般而言，五夸克粒子不存在；特別而言，
Θ+
不存在。這結論顯得很有說服力。

2008年《粒子物理學評論》更進一步表示，[3]

近期有兩個或三個實驗對於在標稱質量附近獲得薄弱的信號證據，但鑒於壓倒性的證據聲稱五夸克粒子不存在，將它們臚列出來是毫無意義的……整個故事──發現本身、緊跟着像漲潮般的論文、最終的退潮發現──在科學歷史上是一集相當古怪的連續劇。

儘管有那麼多顯目的零結果（英語：null result），LEPS團隊於2009年仍舊表示，在質量為1524±4 MeV之處觀測到狹窄態存在，顯著性差異為5.1 σ。[15]針對這爭論，那時期有很多實驗如火如荼地進行着。

2015年LHCb結果

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費曼圖展示，底Λ粒子 Λ0
b衰變為K介子K−
與一個五夸克粒子P+
c。
 
圖為對於Λ0
b→J/ψK−
p衰變的J/ψp不變質量譜的拼湊結果，每一個拼湊部分都被單獨展示出來。五夸克粒子貢獻出的拼湊部分展示為畫斜線的直方圖。

2015年7月13日，LHCb實驗團隊在Λ0
b→J/ψK−
p衰變道辨識出五夸克粒子；在這衰變道裏，底Λ粒子 （Λ0
b）衰變為一個J/ψ介子（J/ψ）、一個K介子 （K−
）與一個質子（p）。實驗數據顯示，有時候，底Λ粒子不會通過Λ*居間態（英語：intermediate state）衰變為一個K介子 （K−
）與一個質子（p），而會間接地通過五夸克居間態（英語：intermediate state）P+
c；兩個被發現的居間態P+
c（4380MeV）與P+
c（4450MeV）在統計學的顯著性差異分別為9 σ與12 σ，總合起來為15 σ ，足夠證實這發現。更多數據分析還排除了這是由普通粒子造成的效應的可能性。[16]LHCb實驗又觀測到兩個五夸克態都強烈地衰變為J/ψp，因此可推論其價夸克擁有兩個上夸克、一個下夸克、一個魅夸克與一個反魅夸克；標記為
u

u

d

c

c
，它們是一種魅偶素-五夸克粒子。[4][7][17]

LHCb的主要任務是研究物質-反物質不對稱性，而不是探索研究五夸克粒子。[18]歐洲核子研究組織發言人表示，「我們並沒有積極地尋找它，我們意外地找到了它。」[9]

2019年根據2015-2018年LHCb的數據觀察到新的五夸克粒子，新粒子為P+
c（4312MeV），會衰減成一個質子和一個J/ψ介子（由一個粲夸克和反粲夸克構成）。並觀測到2015年發現的五夸克結構P+
c（4450MeV）實際上是由兩個質量相近的共振態P+
c（4440MeV）和P+
c（4457MeV）疊加而成。最新觀察的統計顯著性達到了 7.3 σ，遠遠超過了 5 σ這個閾值。這三個五夸克態的寬度都很窄，質量略低於Σ+
cD0
和Σ+
cD*0
質量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態，它們為重子和介子分子態的存在提供了迄今為止最有力的實驗證據。[19][來源可靠？討論]

2022年7月歐洲核子研究中心（CERN）LHCb合作組宣佈發現一種新的粒子Pcs(4459)0，其夸克組分為 usdcc。

應用

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五夸克粒子的發現讓物理學者能夠更細緻地研究強作用力，從而助益對於量子色動力學的了解。另外，當今理論意味着，當有些非常巨大恆星塌縮時，會製成五夸克粒子，對於五夸克的研究或許可以幫助人們了解中子星的物理。[7]

參見

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註釋

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  1. ^ 重子有三個夸克，介子有兩個夸克。
  2. ^ 括號中的數目是這個粒子的質量，單位MeV。
  3. ^ 色荷與日常顏色無關，它們只是一種標籤，專門用來幫助描述與了解色荷的概念。

參考文獻

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  1. ^ 1.0 1.1 H. Muir. Pentaquark discovery confounds sceptics. New Scientist. 2 July 2003 [2010-01-08]. （原始內容存檔於2015-07-12）. 
  2. ^ K. Hicks. Physicists find evidence for an exotic baryon. Ohio University. 23 July 2003 [2010-01-08]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於2021-03-05）. 
  6. ^ Observation of a strange pentaquark, a doubly charged tetraquark and its neutral partner.. July 5, 2022 [July 5, 2022]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於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. （原始內容存檔 (PDF)於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]. （原始內容存檔於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:
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  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]. （原始內容存檔於2017-12-16）.     
  17. ^ P. Rincon. Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle. BBC News. 14 July 2015 [2015-07-14]. （原始內容存檔於2015-07-14）. 
  18. ^ Where has all the antimatter gone?. CERN/LHCb. 2008 [2015-07-15]. （原始內容存檔於2020-04-04）. 
  19. ^ 存档副本. [2019-03-30]. （原始內容存檔於2020-11-12）. 

延伸閱讀

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