量子罗曼史：全球最大粒子加速器揭示罕见顶夸克共舞

这些发现于法国马赛举行的欧洲物理学会高能物理会议上公布。

欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们在其全球最大的粒子加速器内观察到一个意想不到的现象，这表明宇宙中最重且寿命最短的粒子可能并非如先前所认为的那样是“孤独”的。

顶夸克行为中这一未曾预料到的特征表明，这些基本粒子会形成一种转瞬即逝的结合体。CERN的大型强子对撞机（LHC）上的紧凑μ子线圈（CMS）实验此前已观测到此现象。

据报道，其姐妹实验ATLAS已确认了这一发现，并于7月7日在法国马赛举行的欧洲物理学会高能物理会议上公布。

这一发现意味着，顶夸克（也称为真夸克） —— 所有基本粒子中质量最大的一种 —— 可以与其反物质对应物（反顶夸克）短暂配对，产生一种称为“顶偶素”（toponium）的准束缚态。

为了更好地理解这种难以捉摸的相互作用本质，物理学家们现在将转向对强核力（称为量子色动力学，QCD）进行复杂的理论计算。

量子结合违背粒子预期

尽管在LHC的高能质子对撞中常规会产生顶夸克，但它们极不稳定，在不到万亿分之一秒的万亿分之一时间内就会衰变，因此获得了“孤独粒子”的名声。

这种极短的寿命长期以来使得它们似乎不可能像较轻的夸克那样相互作用并形成质子或介子等粒子。

然而，去年，CMS的研究人员在分析2016年至2018年产生的大量顶夸克-反顶夸克对数据（旨在寻找新型希格斯玻色子）时，发现了一个出乎意料的顶夸克-反顶夸克对过剩信号。这种过剩信号通常被视为存在未发现粒子的确凿证据。

这一过剩恰好出现在产生这样一对顶夸克所需的最低能量处 —— 一个准束缚态更有可能形成的阈值。

这促使研究团队考虑另一种假说：顶夸克和反顶夸克之间存在着一种转瞬即逝的结合。长期以来，人们认为这种结合太过难以捉摸而无法在LHC上探测到。ATLAS实验已确认其数据中存在相同的效应，从而排除了更简单的解释，并与CMS的发现高度吻合。

事实证明，顶夸克-反顶夸克对可以存留足够长的时间，在强核力的信使 —— 胶子 —— 的媒介作用下，短暂结合成顶偶素态。

形成罕见结合

CMS的科学家们测得顶夸克-反顶夸克对过剩的产生率为8.8皮靶恩（picobarns），不确定性为1.3皮靶恩，这超过了粒子物理学中宣称一项发现所需的五西格玛（5-sigma）置信度阈值。

“观测到一个曾被认为过于困难而无法探测到的非相对论性QCD效应，是LHC实验项目的巨大成功，”CMS发言人高蒂尔·哈默尔·德·蒙谢诺（Gautier Hamel de Monchenault）表示，并补充说团队期待与理论学家紧密合作，以更好地理解标准模型的这一有趣方面。

ATLAS使用其在2015年至2018年收集的完整Run-2数据集证实了这一发现，报告了几乎相同的截面值：9.0±1.3皮靶恩，并以7.7西格玛（7.7-sigma）的显著性排除了非顶偶素模型。然而，精确定位这一意外现象的原因仍然充满挑战。

一种可能性是存在一种新粒子，其质量接近顶夸克质量的两倍，在胶子碰撞中形成并衰变成顶夸克-反顶夸克对。要确认这一点，需要通过尖端的QCD计算对夸克和胶子行为进行精确建模。

长期以来，人们认为在LHC上测量这种微妙效应是不可能的，因为接近阈值的事件非常罕见且难以探测。“然而，得益于LHC Run 2期间记录的丰富质子-质子数据以及分析技术的进步，这一长期持有的假设现已被推翻，”ATLAS发言人斯特凡·维洛克（Stéphane Willocq）在一份新闻稿中表示。

如果顶偶素被证实存在，它将成为粒子物理学的一个重要里程碑，与粲偶素（charmonium）和底偶素（bottomonium）一起，成为一系列短暂存在的夸克-反夸克束缚态中的最新成员。随着LHC Run 3的进行，科学家们正准备就强核力获得更多洞见。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！