改變物理學家的「黑歷史」

在過去的幾年裡,物理學家在

在過去的幾年裡,物理學家在大型強子對撞機(LHC)的對撞實驗中發現了大量新的奇異粒子,其中LHCb合作組的發現佔據了絕大多數,包括59種新粒子。

然而,隨著新粒子層出不窮,對它們的命名也隨之出現了問題。近日,LHCb合作組提出了一個新的粒子命名方案,希望幫助人們為不斷增長的粒子領域帶來一些更清晰的規則和秩序。

物理學家的「黑歷史」

粒子物理學家在起名這件事情上似乎出了名地「笨拙」,他們在粒子命名方面有一段「著名黑歷史」。

在20世紀,隨著越來越多的粒子被發現,粒子命名法變得越來越令人摸不著頭腦。例如,在粒子物理學的標準模型中,有一類粒子被稱為輕子,包括「electron」(電子)、「muon」(μ子),然後還有「tau」(τ子),但它卻不叫「tauon」。

再舉個例子,在20世紀70年代,有兩個競爭團隊獨立地發現了一個由兩個夸克構成的新粒子。然而,這個新粒子究竟該被稱為J還是ψ,他們無法達成一致。最終,他們尷尬地將這兩個名字揉在了一起,於是就有了J/ψ。

即使在今天,物理學家也無法就第五重的夸克名稱達成一致,它究竟叫底夸克,還是美夸克?因此,你會看見這兩個名字時常被互換使用。

更不要說一種被稱為「超對稱」的理論所預言的讓人舌頭打結的粒子名稱了。超對稱理論表明,我們目前所知的每一個粒子,都有一個(尚未發現的)「超夥伴」,比如超夸克(squark)、超μ子(smuon)或者超膠子(gluino)……

有科學家打趣地說,「我私心希望永遠不會發現超對稱,這樣我們就不再需要用到這些聽上去有點蠢的詞了」。

複合強子

LHC一直是被稱為新強子的寶庫。強子是由兩個或以上夸克構成的亞原子粒子。原本這些粒子可以分為兩種類型:重子介子

重子由三個夸克組成,比如構成原子核的質子和中子。而介子則由一個夸克與一個反夸克(與夸克質量相同但電荷相反的反粒子)配對而成的。

儘管只有6種不同類型的夸克,而且其中只有5種會構成強子,但仍然存在大量可能的組合。

在20世紀80年代,粒子物理學家為強子動物園設計了一個命名方案,為每個粒子分配了一個符號,比如用希臘字母π表示π介子,也就是最輕的介子。

長期以來,所有新發現的粒子都可以被分為重子或介子,然後納入這一命名方案。但直到幾年前,科學家還發現了由三個以上夸克構成的奇異強子。例如,由兩個夸克和兩個反夸克構成的四夸克,以及由四個夸克和一個反夸克(或者反過來)構成的五夸克

第一個明確的四夸克候選被稱作Zc態,這個名字是一個隨機的選擇,因為X和Y已經被用來標記其他態。隨後,科學家又發現了驚人的五夸克態,並將它稱為Pc。

自2019年左右起,粒子發現的步伐明顯加快,諸如X、Zcs、Pcs和Tcc等名稱幾乎都以臨時方式分配的,帶來了一碗名副其實的粒子「字母湯」。

為新粒子命名缺乏邏輯性,也不可避免地帶來了一些混亂。例如,一個格外突出的問題是,Zc和Pc中的下標 「c」,代表了這些強子同時包含粲和反粲夸克,它們有時被稱為「隱粲」。而Zcs和Pcs中的下標「s」,則代表這些強子還包含一個奇夸克,這種情況也叫「開奇」。

那麼,像近期被發現的同時包含了「開粲」(只有粲夸克而沒有反粲夸克)和「開奇」的態的新粒子,又該怎麼命名和區分呢?

近期發現的五夸克(圖/CERN)

近期發現的五夸克。(圖/CERN)

新提出的命名方案

由於新發現的態的範圍和它們的名稱可能變得更加令人困惑,LHCb合作組的粒子物理學家決定,對新發現的粒子來說,是時候嘗試恢復一些命名的秩序了。

新提出的命名方案遵循著一些指導原則。首先,基本概念應該足夠簡單,讓非專業人士也能大致理解,比如,基本符號用T代表四夸克(tetraquark),P代表五夸克(pentaquark)。

這套命名方案還應該能區分所有可能的組合,這可以通過增加上下標實現的。它們負責表示每個粒子是由哪些夸克組成的,以及其他量子資訊。但這些應該與傳統介子和重子的現有方案一致,也就是重新利用一些現有的符號。

然而,目前對奇異強子的命名仍需改變。例如,上面提到的Zcs和Pcs態將分別被改為Tψs和Pψs,因為J/ψ粒子包含隱粲,換言之,命名通過ψ和c的下標清晰地區分開了隱粲和開粲。

LHCb合作組表示,這種命名方案的最後一個指導原則是,它應該被更廣泛的粒子物理學界所接受

儘管LHCb合作組發現了大部分新粒子,這給了他們一些命名權,但在這一領域還有其他正在進行和計劃進行的實驗,對於科學的進步同樣至關重要。

LHCb合作組會與不同的團隊討論了新的命名方案的一般原則和細節,並將積極和建設性的反饋意見納入最終版本。

學術交流的重要部分

20世紀50年代的粒子物理學,一個粒子動物園逐步被發現,並最終帶來了傳統強子的夸克模型。

如今,科學家也正在創造「粒子動物園2.0」,更好地理解夸克如何結合在一起,成為複合粒子。

命名方案實際上是從事粒子物理研究的人之間交流語言的一個重要部分。團隊希望,這一新方案將有助於正在進行的對強子和它內部的強力的探索。

新的實驗結果,包括新強子的發現,都在推動理論理解的進步。進一步的發現可能終會帶來飛躍性的突破。

#創作團隊:

原文作者:Harry Cliff(劍橋大學粒子物理學家)

Tim Gershon(華威大學粒子物理學教授)

編譯:Takeko

排版:雯雯

#參考來源:

https://theconversation.com/even-scientists-cant-keep-up-with-all-the-newly-discovered-particles-our-new-naming-scheme-could-help-187463

#圖片來源:

封面圖&首圖:OLCF, Wikimedia Commons, CC BY

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