大型强子对撞机形成罕见的四胞胎“顶夸克”

北京时间 6 月 28 日消息，据国外媒体报道，目前，世界最大的原子对撞机——大型强子对撞机 “诞生”罕见的四胞胎粒子，它们被称为 “顶夸克”。

主导亚原子相互作用的主流物理理论 “标准模型”曾预测存在这种四胞胎粒子，但是最新物理理论表明，它们的形成数量可能比标准模型所预测的更多。找到四胞胎粒子是检验该理论的第一步，这项最新发现是在 LHCP 2020 会议上公布的。

依据 2019 年发表的《物理评论 D》杂志报告称，顶夸克是已知最重的基本亚原子粒子，每个顶夸克的质量大约相当于一个钨原子。然而，每个顶夸克都比质子小得多，这意味着顶夸克不仅保持着最重粒子的记录，而且它们是已知最密集的质量形式。

虽然大爆炸后的最早期阶段形成大量顶夸克，但它们的寿命非常短暂，在大约 1 万亿分之一秒内完全消失。现今，唯一能产生和观测顶夸克的环境就是在大型粒子加速器中。

1995 年，科学家首次在费米实验室兆电子伏特加速器中发现顶夸克，费米实验室位于美国芝加哥郊外，是当时最强大的粒子加速器，现已退役。

2011 年，大型强子对撞机假设地幔是世界最强大的粒子加速器，该对撞机是由近 1 万个强大磁环排列在一个周长 27 公里的圆环结构，加速两个质子束沿着相反方向运行，它们在 13 万亿电子伏特的能量下发生碰撞，其碰撞频率比兆电子伏特加速器高 100 倍。

1995 年，费米实验室兆电子伏特加速器中粒子束碰撞形成顶夸克和反物质夸克对，但是这些碰撞每隔几天才会发生一次。相比之下，在曲线大型强子对撞机仪器（ATLAS）实验和紧凑型介子螺线管实验（CMS）中，更高能量和更高碰撞频率会大约每秒形成一对顶夸克。

在近期的实验中，研究人员正在寻找同时产生两组顶夸克 / 反夸克对的现象，依据标准模型预测这些更复杂碰撞事件，其碰撞频率应当是产生一对顶夸克碰撞事件的 7 万倍。在寻找新粒子的时候，重要的是观察碰撞次数偶然发生的可能性有多大？该结果可由西格玛单位（sigma）进行衡量。

在粒子物理学中，宣布发现顶夸克的黄金标准是 5 西格玛以上，这意味着目前的观测结果是由随机波动引起的，发生概率仅为 350 万分之一。3 西格玛意味着观测信号偶然发生概率仅为 740 分之一，依据费米实验室研究人员的观点，这是观测结果 “最佳证据”。目前，关于顶夸克产生四胞胎的证据还不足以宣布为一项新发现。

2015-2018 年，物理学家在 ATLAS 和 CMS 仪器收集的数据中寻找四胞胎顶夸克，ATLAS 实验小组宣称，他们已经看到 4.3 西格玛等级的 4 个顶夸克形成。同时，《欧洲物理杂志 C》发表论文称，CMS 仪器研究人员发现的四胞胎顶夸克仅为 2.6 西格玛，在进行实验之前，ATLAS 和 CMS 仪器预测四胞胎顶夸克的置信度在 2.6 西格玛。

ATLAS 仪器观测到的显著性可能仅是偶然，或者这可能仅是一种迹象，表明四胞胎顶夸克的产生比标准模型预测更为普遍，这也可能意味着该测量结果是意想不到的物理学新线索。研究人员称，下一次大型强子对撞机运行产生的额外数据，以及所使用的分析技术进一步拓展，将提高这一具有挑战性的测量的精度。

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