Quark quartet opens fresh vista on matter
http://www.nature.com/news/quark-quartet-opens-fresh-vista-on-matter-1.13225
由四個夸克所組成的粒子首度獲得確認
Devin Powell, 18 June 2013
Nature 498, 280–281 (20 June 2013)
doi: 10.1038/498280a
物理學家重現某種粒子，那也許存在於大霹靂（Big Bang）後，第一個炙熱的時刻。神秘地被稱為 Zc(3900)，那是第一個經確認由四個夸克（quark，建構宇宙大部分物質的基石）所組成的粒子。
到目前為止，所觀察到由夸克構成的粒子僅包含三個夸克（例如：質子與中子）或是二個夸克（諸如：宇宙射線中所找到的π介子 (pions) 與 K介子 (kaons)）。然而物理定律不曾排除會有更大的集合出現、或是找到某形態的四重奏（quartet，四體），在其中，夸克可以啪一聲湊在一起形成物質的特異形態。
"這個粒子是一種驚喜，" Zhiqing Liu（音譯：劉志清）表示，北京，中國科學院高能物理研究所的粒子物理學家，亦為 Belle 聯盟的一員，那是二個在本週的 Physical Review Letters 論文（註 1, 2）中宣稱這項發現的團隊之一。
位於日本筑波市的高能加速器研究機構（KEK），Belle 偵測器監測強烈電子束與其反物質相似物，正子（positrons）之間的碰撞。這些衝擊的能量為世上最強大加速器，位於瑞士日內瓦的 LHC 的千分之一，不過它們的能量仍足以模仿早期宇宙的狀態。KEK 的碰撞率為 LHC 的二倍以上，而且常常誕生出不曾在今日大自然中找到的罕見粒子 -- 短命的創造物，短暫的存在後轉瞬間立即崩潰。
某些次原子碎片與從一粒子的碎裂中所能預期的東西相符，包含四個結合在一起的夸克：二個特別重的「魅（charm）」夸克與二個較輕的夸克，那賦予此粒子電荷。Belle 團隊掌握到 159 個 Zc(3900) 粒子，他們報告，這樣的結果在統計上的偶然性（fluke）不到 350 萬分之一（註 1）。"他們有明確證據，一個粒子有四個夸克，" Riccardo Faccini 說，羅馬 Sapienza 大學的一位粒子物理學家。
這個新粒子亦獲得第二項實驗 -- 北京正負電子對撞機（Beijing Electron Positron Collider）的 Beijing Spectrometer III（BESIII）-- 的擔保。BESIII 發現 307 個 Zc(3900) 粒子，從 10 兆兆次正負電子對撞中篩選出來。（註 2）
"這將信任賦予所有 Belle 所曾見到的其他粒子，" Fred Harris 表示，夏威夷大學的粒子物理學家、BESIII 的發言人。在 2008 年，Belle 發現另一個四個夸克的候選者（註 3），接著在 2011 年，他們看到二種其他粒子，那可能由四個「底（bottom）」夸克（註 4）構成 -- 但沒有其他的粒子對撞機證實這些跡象。
沒人質疑最新粒子中的夸克數量。更多的爭議在於其排列，那可能影響到量子色動力學（quantum chromodynamics），這理論描述連接夸克的強核力（strong force）。理論學家主要分裂成二大陣營。
有一派提出，粒子實際上是二個稱為介子（mesons，包含一個夸克與反夸克）的普通粒子的結合（union）。Zc(3900) 粒子可由二個被某種寬鬆連結結合的介子所組成，形成一種類分子結構（參見原站的「Quark soup／夸克湯」）。
另一派理論學家則姑且將此新粒子標示為真正的四夸克（tetraquark） -- 四個夸克緊密地黏在一起，形成密實的球體。在球內二個夸克結合在一起，而另二個則是反夸克。這樣的配對不曾發生在任何已知粒子，也因而將引入物質的新建構基石 -- 同時有指導電腦模擬的潛力，研究出夸克所能形成的所有結構。
四夸克理論的支持者指出，介子構成的「分子」應當很容易分裂成二半，而這樣的分裂，在資料中並沒有出現。"分子的跡象未曾看見，那促成了四夸克的景象，" Ahmed Ali，德國漢堡 DESY 高能物理實驗室的粒子物理學家。但該實驗的誤差仍太大以至於無法排除「介子分子」分裂的可能性。測試這二種理論的另一種方法是尋找每種理論所預測的其他粒子是否存在。
希望能終結爭論的 BESIII 的研究者正繼續挖掘那些他們在 12 月與 1 月的首次實驗中所收集到的資料。端看他們找到什麼，要揭開 Zc(3900) 的真相也許得等待更新、更強大的 Belle 偵測器，那預計在 2015 年上線。
※ 註釋：
1. Liu, Z. Q. et al. Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.252002
2. Ablikim, M. et al. Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.252001
3. Chen, K.-F. et al. Phys. Rev. Lett. 100, 112001 (2008).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.112001
4. Adachi, I. et al. Preprint at http://arxiv.org/abs/1105.4583 (2011).
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