Only Perception: 物理學家發現新粒子：Bottomonium（底偶素）

2008-07-21

物理學家發現新粒子：Bottomonium（底偶素）

Physicists Discover New Particle: the Bottom-most 'Bottomonium'
http://www.physorg.com/news134923611.html

July 10, 2008

(PhysOrg.com) -- 30 年前，粒子物理學以發現底偶素（bottomonium）家族為樂 -- 這一組粒子，包含底夸克（bottom quark）與一個反底夸克（anti-bottom quark），但以不同能量結合在一起。從那時候到現在，研究者都試圖搞清楚這些微小卻重要的粒子的最低能量態。

現在，美國能源部史丹佛線性加速器中心（SLAC），BaBar 實驗的共同研究者首度偵測與測量到底偶素家族能量最低的粒子，稱為 ηb （發音是eta-sub-b）。

"面臨其運作的結束，BaBar 共同研究者決定要將其最後時間聚焦在某些底偶素的狀態上，" DOE 高能物理科學辦公室副主任 Dennis Kovar 說。"這裡令人振奮的結果，完成了最後資料收集運作的主要目標之一。"

每個物質系統包含了一種「基態」-- 該系統總是想獲得的一種最低能量程度，當這麼做的時候，能量會散發出來。基態提供一種基線，藉此可測量這個粒子其他更高能的狀態，並且是了解基本法則的關鍵，那統治夸克如何交互作用與表現。

當底夸克與反底夸克因強核力而牽拖在一起時，它們形成一種夸克「原子」 -- 十分類似一個電子與一個質子因電磁力而湊在一起形成一個氫原子。這種底夸克「原子」，ηb，能受激到各種更高能的狀態，從第一受激態（稱為 Υ(1S) 到更高的Υ(2S)、Υ(3S) 等狀態。）

為了測定基態， BaBar 同仁們收集了資料，在其中一個電子與正電子的碰撞創造了一個處於 Υ(3S) 態的底夸克與反底夸克結合對，接著在發射出一道γ射線後衰變，留下了 ηb 基態，那接著衰變成更多粒子。因為這一連串事件在 BaBar 偵測器中每二、三千次 Υ(3S) 才發生一次，共同研究者需要收集超過 1 億次產生 Υ(3S) 的碰撞，以確保 ηb 的精確測量。

"這個相當重要的觀測因為 PEP-II 加速器巨大的亮度（luminosity，譯註：在單位時間中單位面積內的碰撞數）與 BaBar 偵測器極佳的精確度而成為可能，那在 BaBar 實驗超過八年的運作中被校正的如之好，" BaBar 發言人 Hassan Jawahery 說，Maryland 大學物理教授。"這些結果已被高度追逐超過 30 年，在我們對於強交互作用的理解上將有重大衝擊。" 科學家得要對抗相當高階的背景雜訊，這使得觀測益加困難。某些是因為其他衰變過程，那涉及 Υ(1S) 態，那有很類似的能量，且需要從訊號分離出來以偵測 ηb。

在 ηb 中底夸克與反底夸克的運動與 Υ(1S) 的稍微有點不同 -- 因為自旋在夸克交互作用中的角色 -- 而那在這些粒子之間引進一種恰好稍微不一樣的能量。

在 Υ(1S) 與 ηb 之間，這種微小的分離 -- 稱為超細微分離（ hyperfine splitting） -- 之前曾在其他系統中見過，包括魅夸克系統，但這是頭一遭在底夸克系統中被觀測到。超細微分離如此之小，實驗者需要為 ηb 的決定性發現花這麼長的時間。

"因為底夸克較魅夸克為重，為了解這種現象，它提供理論物理學家一種更強大的對待，" BaBar 物理學分析協調者 Soeren Prell，Iowa 州大物理教授。反常的是，最重的夸克（底夸克位居第二，最重的是頂夸克）的測量，雖然最難觀察，卻能賦予強核力的基本特性某些最精確的測量。

BaBar 共同研究預計要在未來幾個月釋出其最近資料收集更進一步的結果。

來自加、法、德、義與荷、挪、俄、西與英以及美 74 個單位的 500 位科學家，在 BaBar 工作。 SLAC 由美國能源部科學辦公室資助。

※ 相關報導：

＊ Observation of the bottomonium ground state in the decay Upsilon(3S) -> gamma eta_b
http://arxiv.org/abs/0807.1086