LHCb首次發現雙粲夸克重子
- 物理新新聞
- 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。
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，除了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 ，它由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。
圖二 圖三
圖四
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。
圖六
圖七