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物理学家发现了一种名为“胶球”的神秘粒子的迹象,这是一种罕见奇特的东西

 jackchina 2024-05-14 发布于天津

长期以来,科学家们一直在寻找“胶球(Glueballs)”,它是亚原子胶子粒子本身的束缚态,没有任何夸克参与。现在,我们可能已经找到了它们,它们隐藏在粒子加速器实验中。


它有望成为物理学上的重大突破,但为了所有没有该学科博士学位的人的利益,我们将从头开始。胶子的主要作用是将夸克固定在适当的位置,并保持原子的稳定 —— 夸克是构成质子和中子的基石。

这种作用使胶子成为强核力的一部分,强核力是支撑物理定律的四种自然基本力之一,另外三种是引力、电磁力和弱核力。

希望到目前为止你还能跟上我们。到目前为止,胶球只是物理学家认为应该存在的理论命题 —— 因为胶子应该能够相互粘在一起 —— 而不是实际观察到的东西。

单个的胶子不包含任何物质,它们只是携带力,但胶球确实有由胶子相互作用产生的质量。如果我们能发现它们,这将再次表明,我们目前对宇宙运行方式的理解,也就是粒子物理学的标准模型,确实是正确的。

物理学家发现了一种名为“胶球”的神秘粒子的迹象,这是一种罕见奇特的东西
物理学家发现了一种名为“胶球”的神秘粒子的迹象,这是一种罕见奇特的东西© 由 众播生活 提供

在中国的北京正负电子对撞机II上的实验也是如此。该对撞机被用来粉碎介子,介子是由强核力将夸克和反夸克结合在一起的粒子。

通过筛选这些粒子粉碎过程中产生的亚原子碎片 —— 我们谈论的是十年来涉及大约100亿个样本的数据 —— 研究人员能够看到平均质量为2395 MeV/c2的粒子的证据。这是胶球预计的质量。

有问题的粒子被命名为X(2370),虽然其他一些计算并不完全符合研究人员所寻找的结果,但它们相差不远。要得到一个明确的答案,还需要更多的测量和观察。

所以这还不能完全证明胶球的存在,但证据正在增加。早在2015年,科学家们就认为他们已经瞥见了胶球。不久之后,另一个粒子可能会从理论跳跃到现实。

由于数学技术和计算能力的不断进步,许多这样的科学研究成为可能 —— 这些技术和计算能力需要计算大量可能的特定相互作用和进化,这些可能起源于胶球。

当然,我们现在拥有了必要的设备和仪器,可以窥探自然界最基本的运作方式,并产生数十亿个粒子状态,以发现像胶球这样罕见而奇特的东西。

这项研究发表在《物理评论快报》上。



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北京正负电子对撞机发布重大成果,获得支持胶球存在的实验证据

记者 张璐 编辑 唐峥 的报道  · 22 小时 ·


(记者张璐)近日,北京正负电子对撞机获得重大成果。其实验装置北京谱仪III合作组首次测得粒子的量子态性质,其质量、产生和衰变性质都与人们长久以来寻找的胶球特性一致。这一研究成果于2024年5月2日作为编辑推荐文章发表在美国《物理评论快报》杂志上。

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 北京正负电子对撞机发布重大成果,获得支持胶球存在的实验证据

北京正负电子对撞机发布重大成果,获得支持胶球存在的实验证据

J/ψ粒子辐射衰变到X(2370)粒子示意图。中国科学院高能所供图

 

在粒子物理学的标准模型中,胶子是传播强相互作用的基本粒子,就像光子传播电磁相互作用一样。但特别的是,胶子之间可以相互吸引而形成一个新的束缚态粒子——胶球。胶球是标准模型的重要预言,也是自然界中唯一由传播子构成的粒子,这种自相互作用及其粒子从未被实验发现,其存在与否是标准模型至关重要的基本检验。北京正负电子对撞机能够大量产生丁肇中先生发现的J/ψ粒子,其衰变是寻找胶球的最佳途径,由此这也一直是北京正负电子对撞机几十年来最重要的物理目标之一。

 

经过长期不懈的努力,2011年,由现任南京大学金山教授(时任中国科学院高能物理研究所研究员)与中国科学院高能物理研究所博士后黄燕萍合作在北京谱仪III实验上发现了一种新粒子—X(2370)粒子,这是实验上首次观测到与理论计算的赝标量胶球质量、产生和衰变性质一致的粒子。

 

近年来,北京正负电子对撞机和北京谱仪III产生并采集了100亿J/ψ粒子,超过此前最大样本的100倍。利用这些数据,研究人员创新性地研究了几乎无物理本底的X(2370)粒子的衰变模式。得益于北京谱仪III探测器的优良设计,特别是对带电粒子和光子的高精度探测,大大提高了信号噪声比。实验组通过复杂的量子态干涉分析,首次测量了X(2370)粒子的自旋-宇称量子数以及其质量、产额等基本性质。实验结果与人们长期寻找的标准模型理论中最轻赝标量胶球的特性一致,是支持胶球存在的强有力实验证据。

 

编辑 唐峥

校对 陈荻雁

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