解上帝写的方程有多少步？

解上帝写的方程有多少步？

欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)上的底夸克探测器(LHCb)实验组宣布发现双重子，欧洲核子研究中心做了特别新闻稿。中国研究团队对这一新发现做出了重要贡献。什么是双重子，科学家为什么要寻找这个粒子，它的发现有什么意义？科技日报记者采访了底夸克探测器中国组组长、清华大学工程物理系教授高。

首次发现了含有两个重夸克的重子

在粒子物理学中，标准模型是描述基本力(强、弱和电磁力)和组成所有物质的基本粒子的一套理论。在标准模型中，基本粒子可分为费米子和玻色子，费米子又可细分为轻子(如电子)和夸克。

根据标准模型的分类，重子由三个夸克组成，而众所周知的质子和中子是最常见的重子。自然界中有六种夸克，分别是上夸克、下夸克、奇夸克、晶格夸克、顶夸克和底夸克。前三个较轻，后三个较重。

理论上，预计有许多不同成分的重子。之前发现的所有重子最多包含一个重夸克。例如，质子有两个上夸克和一个下夸克，而中子有两个下夸克和一个上夸克。这次发现的新粒子不同，因为它包含两个重夸克。

新发现的重子包含两个重子和一个上夸克，带有两个单位电荷，质量约为3621 mev，几乎是质子的4倍。如果你画一个双重子的图像，你会看到两个重夸克位于中间，距离很近，一个轻夸克围绕着它们旋转。

高说，由于拉夸克的质量远大于上夸克，其内部结构预计与普通重子有较大区别，仔细研究其性质将有助于人类深入了解物质的组成和强相互作用的本质。

2012年“上帝粒子”希格斯玻色子被发现后，标准物理模型的大拼图基本完成。“解决具体问题还是有一些细节的，比如夸克在重子中是如何工作的等等。”高说，强相互作用是核等重要物质形成的最关键力量，分子和原子90%以上的质量来自强相互作用。双重子的发现让科学家们可以在这种新的夸克组成下探索强相互作用的新性质，有助于加深对强相互作用本质的理解。

给标准理论模型添加一个难题

“我们从2010年开始这项研究，经过多年的努力，终于取得了不错的成果。”高原宁说。

底部夸克探测器是欧洲粒子物理研究所大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一，专门研究重夸克粒子的产生和衰变性质。底夸克探测器合作组由来自16个国家72个单位的1185名成员组成，其中中国组由清华大学、华中师范大学、中国科学院和武汉大学的研究人员组成。近年来，中国集团在强子性质和电荷宇称对称性破缺研究方面取得了突出成就。

为什么中国团队的目标是寻找包含两个魅力夸克的重子？“根据夸克模型，地面重子的数量是确定的。例如，上夸克、下夸克、奇夸克和铙钹可以形成自旋为1/2的20个基态重子。高能物理领域一直在寻找这些成分不同的重子，希望进一步验证标准模型。”高原宁说。

在此之前，科学家们已经发现了由三种较轻的夸克组成的不同重子：上夸克、下夸克和奇夸克。“标准模型最成功的地方在于，它预言了具有三个奇夸克的重子的存在，这些夸克后来才真正被发现。此外，基本上发现了由一个重夸克和两个轻夸克组成的重子。”高宇宁说，所以寻找具有两个较重夸克的重子成为了主要目标。

“当然，每个人也希望找到一个包含两个底夸克的夸克，但由于夸克的质量比底夸克小，所以更容易产生它。我们将从双重子开始。”高原宁说。

事实上，早在1974年，中国物理学家丁肇中和美国科学家里克特就发现了夸克，并获得了诺贝尔物理学奖。根据夸克模型理论，科学家们制作了包含夸克的元素周期表，并推导出了双重子在该表中的位置和近似性质。

“这一发现相当于为标准模型提供了证据，完善了这个大谜题的一小块。”高说，新粒子的发现表明，这个模型仍然是目前描述基本粒子的最佳理论。

发现新粒子的速度是恒定的

“这一发现也验证了在高能物理设备上进行相对较小粒子实验的可行性。”高原宁说。

他解释说，希格斯玻色子的质量为125GeV，需要高能对撞机才能产生。顶夸克由于寿命短，无法与其他夸克形成稳定的重子，其他夸克的质量都在5GeV以下。以前认为大型强子对撞机不能用于研究重子。“实验结果表明，虽然这种高能不是研究这种重子的必要条件，但确实可以有更好的结果。”

高说，这一新发现让每个人对发现更多类型的双重子的未来更加有把握，来自世界各地的研究人员将加快他们的搜索速度。根据理论，至少有三个基态重子，剩下的两个重子将更难找到，需要更多的数据和更详细的分析。

中国科学家将继续为此而努力。同时，未来一段时间的目标是精确测量重子的寿命。重子本身寿命很短，出生后衰变很快。此外，他们将继续探索重子是否已经衰变到其他衰变路径。

高说，发现新的物理理论和解决标准理论模型一直是高能物理领域的两大方向。

虽然标准模型以惊人的精度描述了大量不同的现象，从恒星内部的核聚变机制到希格斯粒子的产生，这被认为是目前人类整合最成功的一套科学理论，但这套理论并不包括一个量子引力理论，没有实现相互作用力的统一。标准模型无法描述构成宇宙95%质量能量的暗物质和暗能量。因此，事情

理学家们希望能发现解释这些现象的新物理理论。

同时，大量实验依然在寻找标准理论预言的各种粒子。“标准模型里还有很多东西没搞清楚。比如我们2015年发现了5个夸克组成的强子，北京正负电子对撞机上发现过4个夸克的强子，那么是不是还有6个夸克的强子?这些强子内部夸克之间的结构怎样，如何相互作用?”高原宁说，这就像上帝写了一个方程式，也给出了标准答案，但人们并不知道解题的中间过程。

“虽然我们迄今的发现都没有跑出目前的理论物理体系，但我们相信随着数据积累得越来越多、越来越好，未来发现新物理体系的可能性也越来越大。”高原宁说。

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