大型强子对撞机碰撞中发现“夸克聚结”的证据 – 物理世界

从事 LHCb 实验的物理学家已经看到证据表明，在大型强子对撞机 (LHC) 质子碰撞后，“夸克聚结”在夸克演化为强子的过程中发挥了重要作用。这种机制最初是在 1980 世纪 XNUMX 年代提出的，它将现有的具有重叠波函数的夸克组合在一起，而不是创造新的夸克。它在低横向动量时最为明显，并随着夸克从碰撞点快速逃逸而逐渐消失。

夸克是构成原子核内的质子和中子以及许多其他感受到强相互作用的强子（重粒子）的粒子。它们最奇怪的特征之一是它们永远不能被孤立地观察到。主要原因是，与重力、电磁力和弱相互作用不同，它们的强度都随着距离的增加而下降，强相互作用的效果随着束缚夸克的移动而增强。如果夸克距离足够远，介导强相互作用的胶子场就包含足够的能量来产生粒子-反粒子对。它们与原始夸克结合，产生新的束缚粒子，这些粒子可以是介子（一个夸克和一个反夸克的组合）或重子（包含三个夸克）。这个过程称为碎片化。

然而，涉及重离子碰撞的实验表明，这并不是故事的全部。物理学家认为，夸克还可以在稠密的夸克-胶子等离子体中结合，这些等离子体是通过将这些大粒子在称为聚结的过程中粉碎在一起而形成的。

“发生碰撞时，会产生一堆夸克-反夸克对，它们开始相互远离，并且由于波粒二象性，每个粒子都有一个波长，可以告诉你它有多大，”马特·达勒姆（Matt Durham）解释道。 洛斯阿拉莫斯国家实验室 在美国，他是 LHCb 合作组织的成员。

现有夸克结合

“如果你有三个相互重叠的夸克，你就会将它们冻结在一起形成重子；如果你有两个重叠的夸克，你就会将它们冻结在一起形成一个介子；如果你有一个不与任何其他夸克重叠的夸克，它就必须分裂，”达勒姆解释道。 “因此，合并将碰撞中产生的夸克粘在一起；碎片化需要你从真空中制造出新的夸克。”

达勒姆说，重离子碰撞中的聚结已被“普遍接受”，因为否则很难解释实验中产生的质子与介子的比率。然而，重离子碰撞是混乱的，理论预测不可避免地不精确。在这项新研究中，LHCb 团队研究了质子-质子碰撞中 b 夸克的产生。 b 夸克有时被称为底夸克或美夸克，是粒子物理标准模型中第二大质量的夸克。

b 夸克的产生几乎肯定会产生 b-lambda 重子或 B⁰ 介子，两者都包含 ab 夸克。这两者之间的生产比率已在实验中得到了广泛研究，其中b夸克是通过电子-正电子碰撞产生的——这一过程只会导致碎片。 “如果只有碎片化，这个比例应该是普遍的，”达勒姆说。

LHCb 团队梳理了多年来质子与质子碰撞的数据，并研究了产生 b 夸克的碰撞的衰变产物。对于相对于碰撞束具有高横向动量且同时检测到的其他很少的出射粒子的碰撞，重子与介子的比率大约等于电子-正电子实验中的比率。

更多重子

然而，随着横向动量的下降以及同时检测到的其他粒子数量的增加，重子的比例相对于介子的比例逐渐增加。研究人员得出结论，这是明确的证据，表明在这些碰撞中另一个更有可能产生重子的过程正在发挥作用。在这种情况下，b夸克被其他夸克包围——但由于产生的夸克与其他粒子更加分离，b夸克变得越来越不受欢迎。 “你确实需要合并来解释这一点，”达勒姆说，他补充道，“我认为我们在这里已经非常明确地展示了这一点”。

“我确实发现数据令​​人信服，”理论家说 拉尔夫·拉普 德克萨斯农工大学； “过去，非常小的系统之间存在脱节——极端的是电子-正电子系统，其中只有一对夸克-反夸克——而重离子系统则有数千个夸克。他们真正表达自己观点的方式是系统地展示效应如何消失并恢复电子-正电子极限，作为观察到的强子数量的函数，这是一个可观察到的测量有多少夸克和反夸克合并的结果。”

实验主义者 安塞姆·沃森 北卡罗来纳州杜克大学的教授也同意这项工作“非常好”，但他指出，用于计算碎裂分数的基本假设涉及夸克被孤立，因此，他们在低横向动量下给出不正确的结果也许并不令人惊讶。事实并非如此。 “所有这些都是模型，”他说。 “这很有启发性，如果你在合并模型中使用某些东西，它就会起作用，但这并不意味着它是‘真相’”

该研究描述于 “物理评论快报”.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/evidence-for-quark-coalescence-found-in-lhc-collisions/