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MIT: 首次在夸克胶子等离子体中探测到奇异的“X”粒子 精选
2022-1-23 20:36
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MIT: 首次在夸克胶子等离子体中探测到奇异的X粒子

诸平

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Physicists have found evidence of rare X particles in the quark-gluon plasma produced in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The findings could redefine the kinds of particles that were abundant in the early universe. Credits: Massachusetts Institute of Technology

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT2022121日报道,首次在夸克胶子等离子体中探测到奇异的“X”粒子(First detection of exotic 'X' particles in quark-gluon plasma)。

在大爆炸后的百万分之一秒,宇宙是一个翻滚,万亿度(trillion-degree)的夸克和胶子等离子体基本粒子以无数种组合短暂地聚合在一起,然后冷却并沉淀成更稳定的结构,使中子和质子变成普通物质。

在冷却之前的混沌中,这些夸克和胶子的一部分随机碰撞形成了短命的“X”粒子,因此得名于它们神秘的、未知的结构。今天,X粒子极其罕见,尽管物理学家已经从理论上推测,它们可能是通过夸克合并在粒子加速器中产生的,高能碰撞可以产生类似的夸克-胶子等离子体闪光。

现在,麻省理工学院核科学实验室(MIT's Laboratory for Nuclear Science)和其它地方的物理学家,已经在位于瑞士日内瓦(Geneva, Switzerland)附近的欧洲核研究组织的欧洲核子研究中心(CERN, the European Organization for Nuclear Research)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider简称LHC)产生的夸克胶子等离子体中,发现了X粒子的证据。

该团队使用机器学习技术筛选了130多亿次重离子碰撞,每一次碰撞都会产生数以万计的带电粒子。在这种超密集的高能粒子汤中,研究人员能够梳理出大约100X粒子,其类型被称为X(3872),以粒子的估计质量命名的。相关研究结果于2022119日已经在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志网站发表——A. M. Sirunyan, A. Tumasyan, W. Adam, F. Ambrogi, T. Bergauer, M. Dragicevic, et al. Evidence for X(3872) in PbPb collisions and studies of its prompt production at √sNN=5.02 TeV(Open Access). Physical Review Letters, 2022, 128(3): 032001– Published 19 January 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.032001(点击相关链接,可以免费浏览原文)。https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.032001。这一结果的发表标志着研究人员首次在夸克胶子等离子体中探测到X粒子,他们希望这种环境能解释X粒子目前的未知结构。

麻省理工学院1958届物理学职业发展副教授、此研究的首席作者李延杰(Yen-Jie Lee音译)说:“这只是故事的开始,我们已经证明我们可以找到一种信号。在接下来的几年里,我们想要使用夸克胶子等离子体来探测X粒子的内部结构,这可能会改变我们对宇宙应该产生何种物质的看法。”

这项研究的共同作者都是CMS协作组织(CMS Collaboration)的成员,这是一个由科学家组成的国际团队,负责从LHC的粒子探测器之一紧凑型介子螺线管(Compact Muon Solenoid)中操作和收集数据。

等离子体中的粒子(Particles in the plasma

物质的基本组成部分是中子和质子,它们都是由三个紧密结合的夸克组成的。

“多年来,我们一直认为,出于某种原因,大自然选择了只产生两三个夸克的粒子,”李延杰说。

直到最近,物理学家才开始看到奇异的“四夸克(tetraquarks)”粒子的迹象,这种粒子是由四个夸克的罕见组合而成的。科学家们怀疑X(3872)要么是一个紧凑的四夸克,要么是一种全新的分子,它不是由原子组成的,而是由两个松散结合的介子组成的亚原子粒子,它们本身就是由两个夸克组成的。

X(3872)2003年由日本的贝莱实验(Belle experiment)首次发现,贝莱实验是一个粒子对撞机,它将高能电子和正电子碰撞在一起。然而,在这种环境下,这些稀有粒子衰变得太快,科学家无法详细研究它们的结构。有人假设X(3872)和其他外来粒子可能在夸克胶子等离子体中被更好地照亮(或者阐明)。

李延杰说:“从理论上讲,等离子体中有如此多的夸克和胶子,X粒子的产生应该得到加强。但人们认为寻找它们太困难了,因为在这个夸克汤(quark soup)中产生了太多其它粒子。”

“一个真正的信号(Really a signal)”

在他们的新研究中,李延杰和他的同事们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(CERN's Large Hadron Collider)中,通过重离子碰撞产生的夸克胶子等离子体中寻找X粒子的迹象。他们的分析基于LHC 2018年的数据集,其中包括130多亿次铅离子碰撞,每一次碰撞都会释放出夸克和胶子,这些夸克和胶子在冷却和衰变之前分散和合并,形成超过一千万亿个寿命较短的粒子。

李延杰说:“在夸克胶子等离子体形成并冷却后,产生了如此多的粒子,背景是压倒性的。所以我们必须打破这个背景,这样我们才能最终在数据中看到X粒子。”

为了做到这一点,该团队使用了一种机器学习算法,他们训练该算法来识别X粒子的衰减模式特征。

粒子在夸克胶子等离子体中形成后,很快就会分解成散开的“子”粒子("daughter" particles)。对于X粒子而言,这种衰变模式或角分布不同于所有其它粒子。

由麻省理工学院博士后王晶(Jing Wang音译)领导的研究人员,确定了描述X粒子衰变模式形状的关键变量。他们训练了一种机器学习算法来识别这些变量,然后将LHC碰撞实验的实际数据输入此算法。该算法能够筛选极其密集和嘈杂的数据集,以挑选出可能是X粒子衰变的结果的关键变量。

“我们设法降低了背景的数量级,以看到信号,”王晶说。

研究人员将信号放大,观察到特定质量的一个峰值,表明存在X(3872)粒子,总共约100个。

“我们能从这么大的数据集中梳理出这100个粒子,这几乎是不可想象的,”李延杰说。李延杰和王晶一起进行了多次检查,以验证他们的观察结果。

“每天晚上我都会问自己,这真的是一个信号吗? 最终,还是数据给出了肯定的答案!”王晶回忆说。

在接下来的一两年里,研究人员计划收集更多的数据,这将有助于阐明X粒子的结构。如果X粒子是紧密结合的四夸克,它应该比松散结合的分子衰变得更慢。现在,这个团队已经证明了X粒子可以在夸克胶子等离子体中被探测到,他们计划用夸克胶子等离子体更详细地探测这个粒子,以确定X粒子的结构。

李延杰说:“目前我们的数据与两者一致,因为我们还没有足够的统计数据。在接下来的几年里,我们将获得更多的数据,这样我们就可以区分这两种情况。这将拓宽我们对早期宇宙中大量产生的各种粒子的认识。”

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

The first evidence for X(3872) production in relativistic heavy ion collisions is reported. The X(3872) production is studied in lead-lead (Pb-Pb) collisions at a center-of-mass energy of √sNN=5.02  TeV per nucleon pair, using the decay chain X(3872)→J/ψπ+πμ+μπ+π. The data were recorded with the CMS detector in 2018 and correspond to an integrated luminosity of 1.7 nb−1. The measurement is performed in the rapidity and transverse momentum ranges |y|<1.6 and 15<pT<50 GeV/c. The significance of the inclusive X(3872) signal is 4.2 standard deviations. The prompt X(3872) to ψ2S yield ratio is found to be ρPb−Pb=1.08±0.49(stat)±0.52(syst), to be compared with typical values of 0.1 for pp collisions. This result provides a unique experimental input to theoretical models of the X(3872) production mechanism, and of the nature of this exotic state.


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