2015年10月2日

實驗發現了五夸克粒子,真的嗎?

作者/張敏娟(任職輔仁大學物理系副教授、兼任磨課師(Taiwan MOOCs)執行長。曾任國際及兩岸教育處學術交流中心主任、中華民國物理學會《物理雙月刊》總編輯)

2015年7月14日,來自瑞士日內瓦的科學新聞:「位於歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機的LHCb實驗,宣稱看到五夸克粒子。」這是真的嗎?

這五夸克粒子(pentaquark)發現的新聞,隨著新聞稿,一併附上研究論文,於8月12日刊登在《物理評論通訊》期刊(Physical Review Letters) 。

7月14日這個時間點,感覺是有意炒熱即將在7月22~29日,於奧地利維也納大學舉辦的歐洲高能物理國際會議。歐洲高能物理國際會議結束當天,7月29日,短短十五天內,已經有十一篇理論的論文,參考這篇文章的結果,提出各種自家的理論模型試著解釋它。

到底五夸克粒子是不是被找到了?筆者先簡短介紹基本粒子的一些知識,再接著討論五夸克粒子。

基本知識回顧
基本粒子物理領域,主要是探討最大維度至最小維度的基本物質組成與自然定律。早在1869年,由門得列夫(Dmitri Mendeleev)提出的化學元素週期表開始,當時科學家覺得組成物質的最小元素是原子,原子是不可分割的。

而原子外面有電子、裡面有原子核,則分別由湯姆森(J. J. Thomson)與拉塞福(Ernest Rutherford)驗證。原子核裡有質子與中子,則又分別為拉塞福與查兌克(James Chadwick)驗證。湯姆森、拉塞福、查兌克等人做研究的黃金時期,都是在英國劍橋大學卡文迪許實驗室,他們都因為上述研究,拿過諾貝爾獎。湯姆森與查兌克拿諾貝爾物理獎,拉塞福拿諾貝爾化學獎。化學元素週期表從此開始標示原子核裡面的質子、中子數目,並替所有找到的新原子們依序排座位或是預留座位。

二十世紀開始,越來越多的新粒子,被科學家們發現與驗證了,尤其是來自宇宙射線的未知粒子。它們都不是化學元素週期表裡面的粒子,也不是質子、中子、電子。「粒子園區(particle zoo)」的未知粒子越來越多,一開始用希臘字母一一命名,等到字母不夠用,再用粒子們的自旋量(spin)、電子電荷量(electronic charge)、質量(mass)、生命期(lifetime)等,設法增加標示方法。

為了簡化這個「粒子園區」的分類法,夸克(quark)被預測為新的基本粒子。新粒子們被認為是以夸克的組成而存在的一群粒子,就如同當初以質子、中子、電子數目,去定義不同的原子一樣。

一開始,夸克模型(quark model)只有三個夸克被提出來,它們是上夸克(up quark),下夸克(down quark),和奇夸克(strange quark)。不久後,第四個、第五個、第六個夸克,就又被實驗找出來,它們分別是魅夸克(charm quark),底夸克(bottom quark),和頂夸克(top quark)。緊接著,輕子模型(lepton model)被提出。依照輕子的質量由小而大定義,分別為電子(electron)、緲子(muon)與濤子(tau)。再接著輕子的微中子也被找到,電子微中子(electron neutrino)、緲子微中子(muon neutrino)與濤子微中子(tau neutrino)。......【更多內容請閱讀科學月刊第550期】

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