新知 物理

LHCb首次發現雙粲夸克重子

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撰文者:黎偉健 博士 (Department of Physics, Technical University of Munich, Germany)
發文日期:2017-09-08
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  • LHCb於今年7月6日宣佈發現雙粲夸克重子Ξcc++ ,它是第一顆被實驗證實的含兩顆粲夸克的粒子,其質量與量子色動力學的預言吻合。由於Ξcc++的產生機率很小,而且要識別它具相當難度,它的發現標誌着實驗粒子物理學的進步。

    由夸克組成的粒子主要分為兩種。第一種是重子 (baryon),它由三顆夸克組成。常見的重子有質子和中子。由於質子和中子比電子重2000倍,一般物質的質量主要來自重子的質量。第二種是介子 (meson),它由一顆夸克和一顆反夸克組成。常見的介子是π 介子。π 介子常見於宇宙射線中。它是高能質子與大氣踫撞的產物。π 介子並不穩定,它會因弱電相互作用衰變成光子或輕子。順帶一提,原子核中質子和中子的吸引力是透過虚π 介子來傳遞。

    夸克之間的相互作用主要是強相互作用 (strong interaction)。在粒子物理的標準模型裏,強相互作用由量子色動力學 (quantum chromodynamics (QCD)) 描述。膠子 (gluon) 是傳播強相互作用的粒子,它與夸克的相互作用如圖一 (其中直線代表夸克,彈簧線代表膠子)。從量子場論的角度看,重子是一非常複雜的系統。這是因為強相互作用在低能過程中強度很大,微擾理論並不適用。因此,強相互作用的低能觀測量,如重子或介子的質量,在理論計算上是一項嚴峻的挑戰,至今仍然是理論粒子物理學的熱門課題。
    Fig_1
    圖一

     
    質子的夸克成份是uud,而中子的夸克成份是udd (其中u為上夸克,d為下夸克)。根據QCD,由上 (u)、下 (d)、奇 (s) 和粲 (c) 夸克所組成的自旋1/2重子有20種 (圖二)。至今,隨著Ξcc+和Ωcc+ ,圖二中的重子都已經被實驗發現。Ξcc++的夸克成份為ccu (圖三)。根據QCD的理論計算,Ξcc++的質量約為3500 - 3700 MeV。在LHC,Ξcc++的產生機率很小。比較常見的含有粲夸克的粒子是J/ψ ,它一顆粲夸克和一顆反粲夸克組成。在LHC,J/ψ 的產生機制如 (圖四),其中一顆由質子碰撞而產生的膠子變成一正反粲夸克對,而這正反粲夸克對組成了一顆J/ψ 。Ξcc++ 的產生機制如 (圖五)。由於 (圖五) 比 (圖四) 多一個gqq頂點,而強相互作用在高能過程中強度很小,Ξcc++ 的產生機率比J/ψ的產生機率小一個數量級。再者,由於Ξcc++ 的衰變模式比J/ψ複雜,識別Ξcc++比識別J/ψ難。
    Fig_2                Fig_3
                圖二                                                   圖三
     
    Fig_4
    圖四
     
    Fig_5
     
     

    圖五
     
    這次LHCb對Ξcc++的發現是基於Ξcc++的其中一個主要衰變模式Ξ cc++→Λc+ K -π +π (費曼圖見(圖六),其中膠子没有被顯示) 。圖七顯示了Λc+ K -π +π 的洛倫兹不變質量分佈,可見於3620 MeV處有一共振峰。
    Fig_6
    圖六


     
    Fig_7
    圖七

     
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