2003年7月30日,中國科學院高能物理研究所在新聞通報會上宣布,北京譜儀國際合作組最近發現了壹個新粒子。北京譜儀合作組是由高能物理研究所和國內17所大學和研究機構及美國、日本、韓國和英國的物理學家和研究生組成的。
這個新粒子是該合作組通過分析5800萬J/ψ粒子衰變的事例數據,在分析粲粒子輻射衰變到正反質子的過程中發現的。這項研究成果的論文已在世界最具權威和最有影響的期刊《物理學評論快報》(2003年7月)上發表。
這次發現新粒子的消息頓時引起了各方的廣泛關註。人們都很想知道這是壹種什麽樣的粒子?這壹新發現有何物理意義?這是不是又是壹個突破性的成就?要想回答這些問題,就需要了解壹些粒子物理學的有關知識。
人們最初是按粒子的質量大小將它們分為三類,並給每類壹個統稱。質量大的叫做重子,例如質子和中子;質量小的叫做輕子,例如電子和幾乎無質量的中微子;大小介於兩者之間的叫做介子,例如π介子。後來根據重子和介子都受強力支配的這壹性質,把它們統稱為強子。早期有些物理學家猜測介子由質子和反質子束縛態組成,但被後來誇克模型代替。1964年蓋爾曼等人提出了關於強子結構的誇克模型。在誇克模型中,重子由三個誇克組成,而介子則由正反兩個誇克組成。在初期提出的誇克模型中,只有u、d、s三種誇克。1974年,J/ψ粒子被丁肇中教授和裏克特教授各自獨立發現後,三種誇克的理論無法解釋這種長壽命的介子,因此引入第四種誇克,即粲誇克c,而J/ψ粒子是由壹個粲誇克(c)和壹個反粲誇克組成的。這以後又引入了第五種誇克底誇克b和第六種誇克頂誇克t。到1995年為止,理論上預言的6種誇克都被實驗發現了。
J/ψ粒子在正負電子對撞中產額很高,J/ψ粒子的衰變是研究強子譜和尋找新粒子的理想途徑。北京譜儀獲取的5800萬J/ψ粒子事例比國際上其他同類實驗數據約高壹個量級,為物理分析創造了良好的基礎。這個新粒子的壽命非常短,因此也被稱為***振態。所謂***振態,是壹種不穩定的強子,它帶有強子的諸如自旋、宇稱、同位旋等各種量子數。***振態粒子壹般都是通過強力衰變,因而壽命很短,大約10-20—10-24秒。根據量子力學能量和時間的不確定原理,不穩定粒子沒有確定的質量,其不確定程度稱為寬度(9),與粒子的壽命(τ)成反比(9=η/τ)。***振態粒子的寬度可以高達幾百MeV,因而說新發現的粒子寬度很窄。盡管這個新發現的***振態的質量略小於質子與反質子的質量之和,正是由於***振態粒子的質量有壹定的寬度,使得這個***振態仍有少量粒子的質量大於質子與反質子的質量之和,而衰變成質子與反質子。粒子物理實驗研究在若幹粒子的衰變中已觀察到類似的現象。這次新發現的消息剛剛傳出,歐洲核子研究中心著名的理論物理學家埃利斯(J.Ellis)就在壹篇論國際最新進展的文章中評價說:“這壹發現和世界上其他新的實驗結果是令人驚異的,對發展強相互作用理論有著重要意義。”諾貝爾物理學獎獲得者李政道教授也致信高能所表示祝賀,信中評價說:“這是壹個十分重要的成果,也是物理學上很有意義的工作。”
尋找多誇克態壹直是國際高能物理實驗的重要目標。在實驗上早期發現的數百個介子***振態和重子***振態中,都沒有多誇克態的確鑿證據。最近,國際上有幾個實驗組在進行這方面的探索,取得了顯著進展。而北京正負電子對撞機上的實驗,新發現的粒子由於特有的性質,尤其是很窄的寬度而很難歸結為通常的誇克—反誇克結合態,因而被推測為可能是壹種多誇克態。有些物理學家認為,所發現的***振態粒子可能是重子反重子束縛態(多誇克態的壹種)。
廣泛和密切的國際合作是高能物理研究基本特點。北京正負電子對撞機從設計之日起,就壹直得到國際高能物理界,特別是李政道教授的大力支持。二十多年來,中國科學院和美國能源部每年都舉行會談,重點討論雙方在北京正負電子對撞機和北京譜儀的合作。國家自然科學基金委員會對北京譜儀的研究工作也壹直給予大力支持。北京正負電子對撞機和北京譜儀在1999年初完成了升級改造後,整體綜合性能大幅度提高,每天獲取的數據量是改造前的3—4倍,數據的質量良好。北京譜儀國際合作組對這些數據進行了深入細致的分析和研究,此次發現新粒子是這批數據的重大物理成果之壹。
北京正負電子對撞機和北京譜儀運行在20億—50億電子伏特的能量區域,盡管在世界上這個能量不是很高,但屬於國際高能物理實驗研究兩大前沿之壹的精確測量前沿,具有重大的物理意義,不斷出現新的重大成果,成為國際高能物理研究的壹個新熱點,競爭十分激烈。國家有關部門已經批準對北京正負電子對撞機和北京譜儀進行重大改造,預期加速器提供的數據量將提高兩個數量級,探測器的性能也將大幅度提高。這個重大改造完成後,北京正負電子對撞機將能繼續保持在粲誇克物理和強子譜等研究領域的國際領先地位。
新的發現,也是新的挑戰。高能所的科學家表示:目前我們的研究結果只是確定了這個新粒子的存在,要最終明確這個新粒子的基本性質和物理意義,還要北京譜儀合作組的中外科學家進壹步做大量的深入細致的數據分析工作,更需要與國內外的理論物理學家密切配合,認真研究,也可能需要更大量的數據才能最終回答這些問題。 中美科學家日前在北京正負電子對撞機上首次發現壹個新粒子。中科院高能所負責人說,各種分析研究已經確認這是壹個新的粒子,而且可能是幾十年前由科學家費米和楊振寧預言的多誇克態粒子。目前,中外物理學家正對這個新粒子的性質和衰變特性從理論和實驗上做更深入的研究和討論。
北京時間7月1日消息,粒子物理標準模型中壹種最難以琢磨的粒子再次逃脫了人們的視線,這或者說明希格斯粒子(Higgsboson)受到了壓制,或者證明這種粒子根本不存在。這對於理解為何我們身處的宇宙有團聚物是非常關鍵的壹步,但是世界最權威的美國國家加速器實驗室(Fermilab)的最新預測表明至少在未來的六年內這項研究難有結果。
北京時間7月3日消息,日本的物理學家已經發現了壹種新的次原子粒子,它由5誇克組成而非通常情況下的2或3誇克。理論學家原先推測物質可能會由4個或者更多的誇克來組成,但是過去30多年所進行的實驗表明很難印證這種推測。這項發現將刊登在7月4日發行的物理評論集中,勢必將在粒子物理研究領域引發轟動效應,也會有助於加深人們對於早期宇宙的理解。