在大型强子对撞机内检测到来自时间之初的“X粒子”

世界上最大的原子粉碎机的物理学家从时间之初就发现了一种神秘的原始粒子。

大约 100 个短寿命的“X”粒子——因其未知的结构而得名——第一次被发现在大型强子对撞机(LHC)中的数万亿个其他粒子中，大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器，位于欧洲核子研究中心日内瓦附近。

这些 X 粒子可能存在于宇宙大爆炸后最微小的几分之一秒内，它们是在被称为夸克胶子等离子体的基本粒子的沸腾汤中检测到的，这种汤是在大型强子对撞机中通过将铅离子粉碎在一起而形成的。

通过更详细地研究原始 X 粒子，科学家们希望构建迄今为止最准确的宇宙起源图景。

他们于 1 月 19 日发表了他们的发现。

“这只是故事的开始，”主要作者、CERN CMS 合作成员、麻省理工学院实验粒子物理学家 Yen-Jie Lee在一份声明中说。

“我们已经证明我们可以找到一个信号。

在接下来的几年里，我们希望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什么样的物质的看法。

科学家们将 X 粒子的起源追溯到大爆炸后的百万分之几秒，那时宇宙是一个过热的万亿度等离子汤，充满夸克和胶子——基本粒子很快冷却并结合成更稳定的质子和我们今天所知的中子。

就在这种快速冷却之前，一小部分胶子和夸克发生碰撞，粘在一起形成寿命很短的 X 粒子。

研究人员不知道基本粒子如何配置自己以形成 X 粒子的结构。

但如果科学家们能够弄清楚这一点，他们将对宇宙最初时刻丰富的粒子类型有更好的了解。

为了重现处于婴儿期的宇宙条件，大型强子对撞机的研究人员以高速相互发射带正电的铅原子，将它们粉碎，在瞬间爆发的等离子体中产生数千个粒子，98迷科，类似于年轻宇宙的混沌原始汤。

那是容易的部分。

困难的部分是筛选来自 130 亿次正面离子碰撞的数据以找到 X 粒子。

“从理论上讲，等离子体中存在如此多的夸克和胶子，应该增强 X 粒子的产生。

”Lee 说。

“但人们认为寻找它们太难了，因为这种夸克汤中产生的其他粒子太多了。

但研究人员确实有一个方便的线索可以使用。

尽管粒子物理学家不知道 X 粒子的结构，但他们确实知道它应该具有非常明显的衰变模式，因为它产生的“子”粒子应该以与其他粒子产生的角度非常不同的角度扩散。

这些知识使研究人员能够产生一种算法，可以挑选出数十个 X 粒子的迹象。

“我们可以从这个庞大的数据集中梳理出这 100 个粒子，这几乎是不可想象的。

”共同作者、麻省理工学院的物理学家王晶在声明中说。

“每天晚上我都会问自己，这真的是一个信号吗？最后，数据说是！”

现在研究人员已经确定了 X 粒子的特征，他们可以确定它的内部结构。

质子和中子由三个紧密结合的夸克组成，但研究人员认为 X 粒子看起来会完全不同。

至少，他们知道这个新粒子包含四个夸克，但他们不知道它们是如何被捆绑在一起的。

新粒子可能包含四个同样紧密结合在一起的夸克，使其成为一种称为四夸克的奇异粒子，或者两个夸克对——称为介子——彼此松散结合。

“目前，我们的数据与这两种结构是一致的，因为我们还没有足够的统计数据。

”李说。

“在接下来的几年里，我们将获取更多数据，以便我们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粒子种类的看法。