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在大型强子对撞机中发现宇宙第一秒的粒子

物理学家从大强子对撞机中形成的时间之初就发现了神秘粒子。
在大爆炸后的最初百万分之一秒内,宇宙中充满了夸克和胶子等基本粒子,它们在冷却并沉淀成更稳定的构型之前形成了无数的组合,从而形成了普通物质的中子和质子。
在冷却之前,这些夸克和胶子中的一小部分随机碰撞形成短寿命的“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在粒子加速器(如大型强子对撞机)中通过夸克聚结产生的,高能碰撞可以产生类似的夸克胶子等离子体闪光。
现在,物理学家已经找到了神秘粒子的证据。
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。
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、麻省理工学院副教授 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。”
该研究的合著者是 CMS Collaboration 的成员,这是一个国际科学家团队,负责从 LHC 的粒子探测器之一 Compact Muon 螺线管操作和收集数据。
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,”李副教授说。
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。

科学家们怀疑,最近观测到的 X 粒子——被称为 X (3872)——要么是一种致密的四夸克,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。
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,”李副教授说。
“这将拓宽我们对早期宇宙中大量产生的粒子种类的看法。”

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