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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]
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宣布他們發現了新的五夸克態。[5]2022年7月5日,LHCb又宣布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。
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]
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的理論物理學者馬克沁·波利亞科夫、維克托·佩特羅夫和德米特里·帝雅克諾夫預言由兩個上夸克、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]
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「春天八號雷射電子光子實驗」(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,質量在與 1522 MeV/c2之間, 1555 MeV/c2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》裏,粒子數據小組給予
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的 3099 MeV
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)分別與先前聲稱觀測到
Θ+
粒子的兩個實驗(DIANA實驗與SAPHIR實驗)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、緊跟著像漲潮般的論文、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,LEPS團隊於2009年仍舊表示,在質量為±4 MeV之處觀測到狹窄態存在, 1524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著。
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合作組宣布發現一種新的粒子Pcs(4459)0,其夸克組分為 usdcc。
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,當今理論意味著,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]