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粒子与相互作用

粒子与相互作用

外来介子挑战规则

06 Jul 2005

在日本KEK的Belle实验中发现的具有异常衰减模式的重粒子是介子科树的最新成员

百丽探测器

如果我们不得不命名一个现代的门捷列夫,他的名字肯定是穆雷·盖尔曼。在1960年代,面对在世界各地的高能实验中出现的,被称为强子的令人困惑的粒子阵列,盖尔·曼(Gell-Mann)提出这些粒子是由几个基本的实体(称为夸克)组成的。这个想法使强子式混乱变得井然有序,这一壮举被盖尔曼(Gell-Man)授予1969年诺贝尔物理学奖。

自从引入夸克模型以来,物理学家一直想找出 怎么样 六种不同的夸克–上(u),下(d),奇怪(s),魅力(c),底部(b)和顶部(t)–结合形成我们观察到的强子。我们看到的简单强子结构很容易定义:介子(如介子和凯恩斯)由夸克和反夸克组成,而重子(如质子和中子)由三个夸克或三个反夸克组成。

但是描述夸克的理论即量子色动力学(QCD)也允许包含四个或更多夸克的粒子。实际上,介子可以更一般地定义为强子,其具有量子单位内角动量的整数值,而重子具有自旋的半整数倍。因此,发现这种奇异的强子,特别是具有比最小夸克-反夸克结构更多的介子,将为我们对强力的理解提供重要信息。实际上,物理学家认为他们瞥见了一个五夸克状态,称为“pentaquark” in 2003. Sadly this excitement looks as if it was misplaced, since the latest results from dedicated experimental searches suggest that 五夸克s are a purely statistical phenomenon (see 物理世界 5月p7:仅限印刷版)。

迷人的发现

有迹象表明,大自然可能以普通介子的幌子掩盖了四夸克态,但直到最近,仍没有令人信服的证据表明此类粒子。两年前,这种情况发生了巨大变化,当时美国斯坦福线性加速器中心的BaBar实验报告了一个异常长寿命的激发介子,称为DsJ(2317),其中括号中的数字是粒子的质量,单位为MeV(请参见 物理世界 2003年6月,第3页:仅印刷版)。像原子一样,介子和重子也可以存在于基态和激发态中,它们各自可以具有不同的质量。

DsJ 粒子由夸克组成–这使它成为一种D型介子–以及一个奇怪的反夸克(sbar),并通过它衰减成较轻的颗粒的方式揭示了它的存在。这些衰减类似于孟德尔’遗传规则:父母具有多种在后代中表现出不同特征的属性。另一方面,粒子可以衰减到许多最终状态,这意味着其性质–通常用量子数来描述,例如自旋和电荷–可以从其衰变产物中推断出来。

BaBar团队发现DsJ 衰减成基态Ds-介子和中性π-介子。虽然这是D介子的常见衰减模式,但在D的情况下sJ 该过程花费了非常长的时间,因为这种特殊的衰变并没有保留称为同位素自旋的量。新介子的惊奇之处还在于它的质量远低于理论预期–实际上,它是如此之低,以至于它无法衰变成其首选的子产品(0 和K+ 介子),因为这两个粒子的总质量大于D的质量sJ.

几周之内,康奈尔大学的CLEO实验就证实了BaBar的发现,并且还发现了一个更重的伙伴DsJ(2460)在衰变时违反了相同的量子规则。仔细的研究表明,两个新介子都具有cs介子的激发态所预期的量子数,但质量远低于预期。一种解释是这些粒子可能是四夸克状态。

现在,另一个意外的介子称为Y(3940),这次是在日本KEK实验室的Belle检测器上出现的。这个新粒子的令人兴奋的特征是,即使其质量比D介子和激发D介子(D *)重,它也不会衰减成这些粒子。取而代之的是,在超过十亿个事件的样本中,百丽研究人员发现了100个实例,其中这些实例已退化为 J /ψ介子(ccbar)加上ω介子(ud)。

发现Y(3940)的衰减率对于这种质量的状态是正常的,这表明我们的衰减不受任何量子选择规则的抑制。并结合了其庞大的质量和外观 J ψ介子作为衰变产物强烈表明Y介子至少包含ccw组合。现在最迫切的问题是是否需要额外的夸克来描述它。

J ψ和ω均为spin-1粒子,这表明Y(3940)为spin 0(这可能是因为自旋添加为向量)。但是,如果是这样,则必须存在一些角动量屏障,以阻止衰减为D(旋转0)和D *(旋转1)。换句话说,Y介子可以简单地是类似于氢原子的激发态的激发ccbar态。

但是,面对ccbar或“charmonium”系统,它已经很好地理解了量子数和衰变模式。 Y(3940)刚好不适合,而似乎是衰减的,好像它是一个包含两个魅力夸克的四夸克状态,这个想法最初由Caltech的David Horn和MIT的Jeff Mandula于1978年提出。

四夸克还是四夸克?

为了测试Y(3940)是否真的是一个奇异的四夸克状态,我们需要转向另一个最近的介子发现:X(3872)。这种状态最早是在Belle于2003年底在衰减X→π+π+中看到的 J /ψ,很快就被CDF在Fermilab的合作所证实(请参见 物理世界 2003年12月,第3页:仅印刷版)。与Y和D相反sJ 就介子而言,X(3872)的质量恰好在阈值上以产生DD *对。

这导致匹兹堡大学的埃里克·斯旺森(Eric Swanson)将X(3872)视为弱约束的DD *介子系统– i.e. as a loosely bound system of four quarks. Last year, he predicted a series of other features of the decay that have 子sequently been confirmed by some lovely experimental work carried out by the Belle group, and it now seems almost certain that the X(3872) is a four-quark system. Might the Y(3940) and the two DsJ 系统也属于这种四夸克状态吗?

简短的答案是“no”,因为像DsJ 指出,与X(3872)相比,Y(3940)比附近粒子衰变的阈值轻MeV。量子力学告诉我们,相关的但略有不同的力将因此起作用,这可能会推动DsJ Y的质量会低于相关的衰减阈值。如果像这样的耦合通道交互确实在起作用,则DsJ 和Y粒子实际上是其他介子态的多夸克混合物。

在完全不同的实验中,费米实验室(Fermilab)的SELEX合作最近观察到高质量重子之间相互作用中存在长寿命的CS介子:DsJ(2632),然后衰减为Dsη或D0K.第一种模式是非常不寻常的,因为在传统的η-介子中,涉及h-介子(包含u和d夸克)的衰减被高度抑制。而且,DsJ(2632)在Belle或BaBar尚未见到“B-factories”.

这些观察结果也可以用四夸克模型来解释,例如卢西亚诺·迈亚尼(Luciano Maiani)和罗马大学的同事开发的模型。该模型对SELEX集团正在研究的其他衰减模式做出了一些有趣的预测,就像Swanson预测的其他衰减模式确定X(3872)的特性一样。

未来几十年

Y(3940)是一个重要发现,因为它会衰减为 J /ψ和ω清楚地表明它不能是简单的ccbar系统。物理学家早就想知道为什么强力会以某种方式饱和,以至于观察到的粒子光谱仅限于两夸克介子和三夸克重子。因此,这个新粒子以及已发现的其他异常D和X介子将扩大我们对介子结构的理解。

现在的挑战是跟进新介子提供的线索,以建立导致这些更复杂状态形成的一致理论图,并找到新的实验方法来阐明这些过程的系统性。未来十年将是令人兴奋的发现期。

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