科學家首次發現“死錐效應” 揭示粲夸克的質量

據歐洲核子研究中心官網近日報道，大型強子對撞機(LHC)上開展的大型重離子對撞機實驗(ALICE)首次直接觀測到了粒子物理學領域的一個基本效應——“死錐效應”，還直接揭示了粲夸克的質量。相關研究發表于最新一期《自然》雜志，有望為科學家們提供一種測量夸克質量的新方法。

“死錐效應”是強力理論的一部分。強力是將夸克和膠子結合成質子、中子并最終形成原子核的作用力，是宇宙中已知四種基本力之一，另外三種分別是引力、電磁力和弱力。夸克是科學家認為不能再分割的一種基本粒子，目前已知的夸克包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、底夸克和頂夸克6種。

夸克和膠子統稱部分子，在LHC等裝置內進行的粒子碰撞中產生。部分子被制造出來后，會經歷一系列被稱為部分子簇射的事件，部分子以膠子的形式發射輻射而失去能量(膠子也會發射膠子)。簇射的輻射模式取決于發射膠子的部分子的質量，并顯示了部分子飛行方向周圍的一個區域，在該區域內膠子的發射受到抑制，這就是所謂的“錐區”。

30年前，根據強力理論的第一性原理，科學家在粒子對撞機內間接觀測到了“錐區”，但通過部分子簇射的輻射模式直接觀察它仍然極具挑戰性，主要原因在于：錐區可被發射的部分子轉換成的粒子填充，且很難確定部分子在整個簇射過程中的變化方向。

在最新研究中，ALICE合作組織通過將最先進的分析技術應用于LHC上的質子—質子碰撞數據，克服了這些挑戰。這些分析技術可通過最終產物，也就是留在ALICE探測器內的粒子噴射留下的信號回溯部分子簇射的情況。研究人員將粲夸克的膠子發射模式與膠子和幾乎無質量夸克的膠子發射模式進行比較，發現粲夸克的模式中存在一個“錐區”。這一結果還直接揭示了粲夸克的質量，因為理論預測無質量粒子沒有相應的“錐區”。

研究人員指出：“夸克質量是粒子物理學領域的基本量，但它們不能在實驗中直接獲得，因為除頂夸克外，其他夸克被限制在復合粒子內，最新研究或為我們提供一種測量夸克質量的方法。”(劉霞)