MIT: 首次在夸克胶子等离子体中探测到奇异的“X”粒子

诸平

Physicists have found evidence of rare X particles in the quark-gluon plasma produced in the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. The findings could redefine the kinds of particles that were abundant in the early universe. Credits: Massachusetts Institute of Technology

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年1月21日报道，首次在夸克胶子等离子体中探测到奇异的“X”粒子（First detection of exotic 'X' particles in quark-gluon plasma）。

在大爆炸后的百万分之一秒,宇宙是一个翻滚,万亿度（trillion-degree）的夸克和胶子等离子体基本粒子以无数种组合短暂地聚合在一起，然后冷却并沉淀成更稳定的结构，使中子和质子变成普通物质。

在冷却之前的混沌中，这些夸克和胶子的一部分随机碰撞形成了短命的“X”粒子，因此得名于它们神秘的、未知的结构。今天，X粒子极其罕见，尽管物理学家已经从理论上推测，它们可能是通过夸克合并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（MIT's Laboratory for Nuclear Science）和其它地方的物理学家，已经在位于瑞士日内瓦（Geneva, Switzerland）附近的欧洲核研究组织的欧洲核子研究中心（CERN, the European Organization for Nuclear Research）的大型强子对撞机(Large Hadron Collider简称LHC)产生的夸克胶子等离子体中，发现了X粒子的证据。

该团队使用机器学习技术筛选了130多亿次重离子碰撞，每一次碰撞都会产生数以万计的带电粒子。在这种超密集的高能粒子汤中，研究人员能够梳理出大约100个X粒子，其类型被称为X(3872)，以粒子的估计质量命名的。相关研究结果于2022年1月19日已经在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志网站发表——A. M. Sirunyan, A. Tumasyan, W. Adam, F. Ambrogi, T. Bergauer, M. Dragicevic, et al. Evidence for X(3872) in PbPb collisions and studies of its prompt production at √sNN=5.02 TeV(Open Access). Physical Review Letters, 2022, 128(3): 032001– Published 19 January 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.032001. （点击相关链接，可以免费浏览原文）。https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.032001。这一结果的发表标志着研究人员首次在夸克胶子等离子体中探测到X粒子，他们希望这种环境能解释X粒子目前的未知结构。

麻省理工学院1958届物理学职业发展副教授、此研究的首席作者李延杰（Yen-Jie Lee音译）说：“这只是故事的开始，我们已经证明我们可以找到一种信号。在接下来的几年里，我们想要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何种物质的看法。”

这项研究的共同作者都是CMS协作组织（CMS Collaboration）的成员，这是一个由科学家组成的国际团队，负责从LHC的粒子探测器之一紧凑型介子螺线管（Compact Muon Solenoid）中操作和收集数据。

等离子体中的粒子（Particles in the plasma）

物质的基本组成部分是中子和质子，它们都是由三个紧密结合的夸克组成的。

“多年来，我们一直认为，出于某种原因，大自然选择了只产生两三个夸克的粒子，”李延杰说。

直到最近，物理学家才开始看到奇异的“四夸克（tetraquarks）”粒子的迹象，这种粒子是由四个夸克的罕见组合而成的。科学家们怀疑X(3872)要么是一个紧凑的四夸克，要么是一种全新的分子，它不是由原子组成的，而是由两个松散结合的介子组成的亚原子粒子，它们本身就是由两个夸克组成的。

X(3872)于2003年由日本的贝莱实验（Belle experiment）首次发现，贝莱实验是一个粒子对撞机，它将高能电子和正电子碰撞在一起。然而，在这种环境下，这些稀有粒子衰变得太快，科学家无法详细研究它们的结构。有人假设X(3872)和其他外来粒子可能在夸克胶子等离子体中被更好地照亮（或者阐明）。

李延杰说：“从理论上讲，等离子体中有如此多的夸克和胶子，X粒子的产生应该得到加强。但人们认为寻找它们太困难了，因为在这个夸克汤（quark soup）中产生了太多其它粒子。”

“一个真正的信号（Really a signal）”

在他们的新研究中，李延杰和他的同事们在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（CERN's Large Hadron Collider）中，通过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LHC 2018年的数据集，其中包括130多亿次铅离子碰撞，每一次碰撞都会释放出夸克和胶子，这些夸克和胶子在冷却和衰变之前分散和合并，形成超过一千万亿个寿命较短的粒子。

李延杰说：“在夸克胶子等离子体形成并冷却后，产生了如此多的粒子，背景是压倒性的。所以我们必须打破这个背景，这样我们才能最终在数据中看到X粒子。”

为了做到这一点，该团队使用了一种机器学习算法，他们训练该算法来识别X粒子的衰减模式特征。

粒子在夸克胶子等离子体中形成后，很快就会分解成散开的“子”粒子（"daughter" particles）。对于X粒子而言，这种衰变模式或角分布不同于所有其它粒子。

由麻省理工学院博士后王晶（Jing Wang音译）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LHC碰撞实验的实际数据输入此算法。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粒子衰变的结果的关键变量。

“我们设法降低了背景的数量级，以看到信号，”王晶说。

研究人员将信号放大，观察到特定质量的一个峰值，表明存在X(3872)粒子，总共约100个。

“我们能从这么大的数据集中梳理出这100个粒子，这几乎是不可想象的，”李延杰说。李延杰和王晶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? 最终，还是数据给出了肯定的答案！”王晶回忆说。

在接下来的一两年里，研究人员计划收集更多的数据，这将有助于阐明X粒子的结构。如果X粒子是紧密结合的四夸克，它应该比松散结合的分子衰变得更慢。现在，这个团队已经证明了X粒子可以在夸克胶子等离子体中被探测到，他们计划用夸克胶子等离子体更详细地探测这个粒子，以确定X粒子的结构。

李延杰说：“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，我们将获得更多的数据，这样我们就可以区分这两种情况。这将拓宽我们对早期宇宙中大量产生的各种粒子的认识。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The first evidence for X(3872) production in relativistic heavy ion collisions is reported. The X(3872) production is studied in lead-lead (Pb-Pb) collisions at a center-of-mass energy of √s_NN=5.02  TeV per nucleon pair, using the decay chain X(3872)→J/ψπ⁺π⁻→μ⁺μ⁻π⁺π⁻. The data were recorded with the CMS detector in 2018 and correspond to an integrated luminosity of 1.7 nb⁻¹. The measurement is performed in the rapidity and transverse momentum ranges |y|<1.6 and 15<p_T<50 GeV/c. The significance of the inclusive X(3872) signal is 4.2 standard deviations. The prompt X(3872) to ψ2S yield ratio is found to be ρ^Pb−Pb=1.08±0.49(stat)±0.52(syst), to be compared with typical values of 0.1 for pp collisions. This result provides a unique experimental input to theoretical models of the X(3872) production mechanism, and of the nature of this exotic state.