新知 物理

由兩個介子所組合成的奇怪原子

Print Friendly and PDF
撰文者:陳勁豪 博士 (臺大梁次震宇宙學與粒子天文物理學中心專案計畫助理研究員)
發文日期:2016-10-04
點閱次數:519
  • 位於 CERN 的 DIRAC 實驗發表了他們的新結果。他們發現了一種特別的原子,由兩個介子所形成。

    一般的原子是由原子核跟環繞原子核的電子所構成。但是物理學家並不因此而滿足,並希望能夠把原子的概念更為擴張,例如緲子偶素(muonium)便是由一個反緲子(muon)與一個電子所形成的類似氫原子的結構。

    如果把原子的概念擴展到一個帶負電的粒子環繞一個帶正電的粒子呢?因此物理學家想到了用雙介子系統,也就是一個帶正電跟一個帶負電的介子來形成這種特殊原子的可能性。根據標準模型,介子是由兩個夸克所組成的粒子。而這兩個帶相反電荷的介子則以庫倫作用力相互結合。

    位於CERN的DIRAC實驗(Dimeson Relativistic Atom Complex)的主要目的便是製造這種雙介子系統。他們的實驗方法是利用CERN的質子同步加速器(proton synchrotron)把質子加速到24GeV/c後,來轟擊鉑靶或鎳靶。根據反應所產生的粒子,他們可以重建並尋找由雙介子所形成的特殊原子。

     
    800px-CERN-p1030773
    CERN的質子同步加速器(圖片來源:Wikimedia Commons)
     
    他們過去的研究已經發現了由π+跟π-兩個π介子所形成的系統,稱為pionium。而他們這次的目標是尋找由K介子與π介子所形成的Kπ原子。DIRAC實驗過去曾經進行過兩次測量,一次利用鉑靶,另一次則利用鎳靶,統計顯著性都超過三個標準差,但是還沒有達到五個標準差。這次他們用兩種靶材進行實驗,並仔細把可能產生π介子與K介子的背景反應排除。實驗結果顯示,他們找到了349±62對可能的Kπ原子對,訊號強度相當於是5.6個標準差,也就是確認了這個特別的原子對的存在。
     
    CCnew2_08_16

    Inclusive πK production(圖片來源:Phys. Rev. Lett. 117, 112001 – Published 8 September 2016)
     
    確認這個Kπ系統存在之後,DIRAC實驗可以進一步對這個系統進行仔細測量,並把實驗結果與量子色動力學(QCD)的計算結果相比較。對QCD來說,這個系統只有u, d, s三種夸克,可以得到相當精準的計算結果。因此這個實驗結果將可以檢驗QCD的有效性。

    原始論文
    Observation of π−K+ and π+K− Atoms
    B. Adeva et al. (DIRAC Collaboration)
    Phys. Rev. Lett. 117, 112001


    相關報導
    CERN Courier 2016/09/16: DIRAC experiment observes new exotic atom
    http://cerncourier.com/cws/article/cern/66150
回上一頁