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奇特粒子再发现:清华工物系团队的夸克解秘之旅
2019-05-28 09:11:17     毛雪鸥[     ]

“向麦克老大三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。

这句话出自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》。1964年,当美国物理学家默里·盖尔曼读到这里时,眼前豁然一亮,于是,他将自己的最新发现命名为 “夸克(quark)”。

盖尔曼的发现认为,质子和中子并不是构成物质的最基本粒子,它们都是由3个夸克组成。同时,盖尔曼也提到,可能存在有别于普通重子或介子的奇特强子态,例如五夸克态(由5个夸克组成)。

夸克模型的提出为人类探索物质结构打开了一扇新的大门。在往后的半个多世纪里,世界各国的物理学家在实验上孜孜以求,希冀找到预言中的粒子。

2015年7月,欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机上的LHCb国际合作实验以确定无疑的结果向世人宣布——“五夸克态”粒子的确存在。全球物理学界为之一振,这意味着,人类又发现了物质存在的新形式。此项成果入选了英国《物理世界》杂志年度物理学领域“十大突破”和美国《物理》杂志年度物理学领域“八项重要成果”。

探索的脚步并没有停止。2019年3月26日,LHCb国际合作实验再次宣布,发现了一个新的五夸克态Pc(4312)。除此之外,在利用更大的数据量研究2015年发现的五夸克态粒子Pc(4450)时,他们惊奇地发现,这个结构复杂的共振态实际上是由两个独立的五夸克态粒子Pc(4440)和Pc(4457)叠加而成。“此次发现或能让我们重新认识强相互作用。”高能物理学界又一次为之振奋。

四年时间,两次重大发现,以清华大学工程物理系团队为主的LHCb中国组成员功不可没。夸克看不见、摸不着,从猜测到证实,本就是一场旷日持久的拉锯战。“新的研究利用了迄今为止LHCb探测器采集的所有数据,通过重新优化的事例选择条件,信号的接收效率又得到了显著提高。这次实验分析的数据有效统计量比2015年时几乎增加了一个数量级,在低统计量时无法观测到的细致结构清晰地显现出来,给予了人们新的惊喜。”五夸克态研究骨干、本次新发现主要完成者、清华大学工程物理系副教授张黎明表示。

被称作粒子物理界的“梦之队”的欧洲核子研究中心,有着全世界最先进的设备、最前沿的理念、最优秀的高能物理领域科研人员。大型强子对撞机(LHC)是该中心运行的当今世界上能量最高、规模最大、结构最复杂的高能粒子对撞机,也是当前世界上最大的科学装置。在美剧《生活大爆炸》中,谢耳朵从9岁开始便梦想着去有超一日能去看看大型强子对撞机。

LHCb是大型强子对撞机上的四个大型实验之一,合作组由18个国家79家单位的800余名物理学家组成。清华大学工程物理系副教授杨振伟曾担任LHCb物理工作组召集人,现为报告人提名委员会(Speakers’ Bureau)成员。每天,杨振伟都要参加很多视频会议,与合作组成员一起讨论问题、交流进展、协调分歧。北京与欧洲有六七个小时的时差,通常下午开完一个会,接着晚上又有一个,他常常诧异,怎么转眼就到凌晨了?

张黎明也曾任LHCb物理工作组召集人,为了推动研究更好地开展,通宵达旦可谓家常便饭。除此之外,团队还要频繁往欧洲跑,处理远程不易处理的事情,常常周五他们还在清华,周末已身在欧洲核子研究中心,承担合作组的监测值班任务。常年累月,团队中每一个人的日程表,几乎都是以分钟为单位来计算的。

对于生活在柴米油盐中的人们来说,微观粒子看不见摸不着,很多人不太容易理解他们对高能物理的热爱与专注。张黎明不习惯跟人解释,因为在他看来,世界上能讲出来的最美故事,就是物理的奇妙探索。当看起来困难的问题终于迎刃而解时,那种自发的喜悦感难以描述。“一旦有了这样的经验就会上瘾,一辈子的瘾。”张黎明被那个美妙的世界迷住了。

做探索性研究的感觉,就像是在黑夜中摸索。研究者的面前是一片迷雾旷野,不知道研究方向是否正确,不知道要花费多少时间,甚至不知道最后能不能做得出来。“可能前面有100条路摆在我们面前,有可能你运气不好,试了99条都没试出来,只剩最后一条了,就看你还有没有勇气去试。”合作多年,杨振伟认为张黎明是一个很有激情的人,虽然在外人看来,他不喜言语。“能够让研究者经受长年累月的困顿,需要的是像初恋时追女生时的那种真爱。怎么说呢,就是心无杂念,一定要心无杂念。”杨振伟说。

未来还会有怎样的新发现?杨振伟和张黎明都充满着期待,因为在他们眼中,这场通往星辰大海的征途,才刚刚开始……

来源:清华映像