大型强子对撞机找到测量夸克质量的新方法

大型强子对撞机 ALICE 实验首次直接测量了一种被称为“死锥”的现象，这使物理学家能够直接测量一种被称为“粲夸克”的基本粒子的质量。形成我们周围可见宇宙的许多粒子实际上是由质量较小的基本粒子（称为夸克）构成的复合粒子。例如，质子和中子各包含三个夸克。夸克有六种不同的“味道” ——上、下、上、下、奇和魅力——每一种都有不同的质量、自旋和其他量子特性。夸克的不同组合也会形成不同的粒子。夸克在这些复合粒子中通过强大的力结合在一起，通过称为胶子的无质量粒子传递。夸克和胶子统称为“分子”。

LHC 的 ALICE 实验。 （图片来源：欧洲核子研究中心）

在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC) 上，质子在强磁场的作用下通过一条 27 公里的隧道加速至高达 6.8 TeV 的能量，然后相互碰撞。碰撞会产生一系列其他粒子，这些粒子本身会发射或衰减成更多的粒子，以此类推，可以揭示基础物理学的各个方面。

特别是，夸克和胶子在称为部分子簇射的级联中产生和发射，夸克发射胶子，而胶子本身可以发射其他低能胶子。研究 ALICE（其名称是大型离子对撞机实验的缩写）的科学家们通过三年的质子-质子碰撞来寻找死锥的证据。根据描述强力如何工作的量子色动力学或 QCD 理论，死锥是阻止具有一定质量和能量的部分发射胶子的区域。

• 每次魅力夸克在帕顿簇射中发射胶子时，它周围的死区示意图，防止它在一段时间内发射更多胶子。 （图片来源：欧洲核子研究中心）

直接观察死锥非常具有挑战性。部分困难在于死区可能会被质子-质子碰撞中产生的其他亚原子粒子填充，而在不断改变方向时跟踪部分子通过淋浴的运动也很棘手。为了解决这个问题，与 ALICE 合作的科学家们开发了一种技术，他们能够将部分淋浴的记录及时倒退，从而使他们能够计算出淋浴的副产品在何时何地排放。特别是，他们寻找涉及粲夸克的阵雨。当他们解构这些流星雨时，科学家们在部分子流星雨期间发射的胶子辐射模式中发现了一个区域，其中胶子的发射被抑制。这是死锥。

这一发现很重要，不仅是因为它验证了 QCD 的预测，还因为它现在提供了直接测量粲夸克质量的直接机会，理论和间接测量结果为 1,275 +/-25 MeV/c^2 . 根据 QCD，死锥与分子的质量直接相关，无质量的粒子无法产生死锥。夸克质量是粒子物理学中的基本量，但它们不能在实验中直接访问和测量，因为除了顶夸克外，夸克被限制在复合粒子内，因此，死锥的发现可能为夸克物理学的新时代铺平道路。