科学家首次在夸克胶子等离子体中检测到奇异的“X”粒子

在大爆炸后的最初的百万分之一秒内，宇宙是一个由夸克和胶子组成的万亿度的沸腾等离子体。

在冷却前的混沌中，一小部分夸克和胶子随机碰撞形成短命的“X”粒子，因其神秘、未知的结构而得名。今天，X 粒子极为罕见，尽管物理学家推测它们可能是通过夸克聚结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和其他地方的物理学家在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的大型强子对撞机 (LHC) 中发现了夸克胶子等离子体中产生 X 粒子的证据。

该团队使用机器学习技术筛选了超过 130 亿次重离子碰撞，每次碰撞都会产生数万个带电粒子。在这种超高密度的高能粒子汤中，研究人员能够梳理出大约 100 个 X 粒子，这些粒子被称为 X (3872)，以粒子的估计质量命名。

本周发表在《物理评论快报》上的研究结果标志着研究人员首次在夸克胶子等离子体中检测到 X 粒子——他们希望这种环境能够照亮粒子的未知结构。

“这只是故事的开始，”主要作者、麻省理工学院 1958 届职业发展物理学副教授 Yen-Jie Lee 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。”

等离子体中的粒子

物质的基本组成部分是中子和质子，每一个都由三个紧密结合的夸克组成。

“多年来，我们一直认为，出于某种原因，大自然选择产生仅由两个或三个夸克组成的粒子，”李说。

直到最近，物理学家才开始看到奇异的“四夸克”的迹象——由四种夸克的罕见组合制成的粒子。科学家怀疑 X (3872) 要么是一个致密的四夸克，要么是一种全新的分子，它不是由原子而是由两个松散结合的介子组成——亚原子粒子本身是由两个夸克组成的。

X (3872) 于 2003 年由日本的一种粒子对撞机 Belle 实验首次发现，它将高能电子和正电子碰撞在一起。然而，在这种环境中，稀有粒子衰变得太快，科学家无法详细检查它们的结构。

“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。”

“这真的是一个信号”

在他们的新研究中，李和他的同事在 CERN 的大型强子对撞机中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。他们的分析基于大型强子对撞机 2018 年的数据集，其中包括超过 130 亿次铅离子碰撞，每一次碰撞都会释放夸克和胶子，这些夸克和胶子在冷却和衰变之前分散并合并形成超过千万亿的短寿命粒子。

“在夸克-胶子等离子体形成并冷却后，会产生如此多的粒子，背景是压倒性的，”李说。“所以我们必须消除这个背景，这样我们才能最终在数据中看到 X 粒子。”

为此，该团队使用了一种机器学习算法，他们对其进行了训练，以挑选出 X 粒子的衰减模式特征。在夸克胶子等离子体中形成粒子后，它们会立即分解成“子”粒子并散开。对于 X 粒子，这种衰减模式或角度分布与所有其他粒子不同。

由麻省理工学院博士后王晶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，然后将来自 LHC 碰撞实验的实际数据提供给算法。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 粒子衰减的结果的关键变量。

“我们设法将背景降低了几个数量级以看到信号，”王说。

研究人员放大信号并观察到特定质量的峰值，表明存在 X (3872) 粒子，总共约 100 个。

“我们可以从这个庞大的数据集中梳理出这 100 个粒子几乎是不可想象的，”李说，他和王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？” 王回忆道。“最后，数据说是！”

在接下来的一两年内，研究人员计划收集更多数据，这将有助于阐明 X 粒子的结构。如果粒子是紧密结合的四夸克，它应该比松散结合的分子衰减得更慢。现在该团队已经证明可以在夸克胶子等离子体中检测到 X 粒子，他们计划用夸克胶子等离子体更详细地探测这种粒子，以确定 X 粒子的结构。

“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，我们将获取更多数据，以便我们可以区分这两种情况，”Lee 说。“这将拓宽我们对早期宇宙中大量产生的粒子种类的认识。”