五夸克态

五夸克粒子是一种次原子粒子，属于奇异强子。五夸克粒子有五个夸克。更详细地说，是四个夸克和一个反夸克（表示他的重子数为1）。虽然物理学者预言五夸克粒子存在已很多年了，五夸克态显然很不容易被发现。有些物理学者甚至提议，某种未知自然定律阻止五夸克粒子的出现。2000年代，曾经有几个实验报告发现五夸克态的存在，但对于这些实验所获得的数据做重新分析，再加上对于后来完成的实验做分析，所得到的结论是，这些先前得到的结果都是统计效应，而不是真实的共振。2015年7月13日，欧洲核子研究组织的LHCb实验团队报告，在底Λ粒子 （Λ0b）的衰变反应中，发现了五夸克态，但这结果尚未经过同行评议。在粒子物理学实验室之外，五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的过程中自然制成。对于五夸克粒子的研究或许可以帮助洞悉这些恒星怎样形成，也可以让物理学者更加了解强相对作用。夸克是一种基础粒子，它拥有质量、电荷、色荷性质，还拥有给出夸克种类（上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克）的风味性质。由于夸克禁闭效应，夸克从未被观测到单独存在。几个夸克可以共同组成复合粒子，称为强子。由一个夸克与一个反夸克共同组成的强子称为介子。由三个夸克组成的强子称为重子。物理学者知道很多关于这些普通强子的性质和行为。没有任何理论规定禁止夸克组成奇异强子，例如，由两个夸克与两个反夸克组成的四夸克粒子，由四个夸克与一个反夸克组成的五夸克粒子。五夸克粒子有很多不同种类，不同的夸克组合会组成不同的粒子。物理学者使用符号qqqqq来标记五夸克粒子，其中，q与q分别标记夸克与反夸克。符号u、d、s、 c、b、t分别标记上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、顶夸克、底夸克；符号u、d、s、c、b、t分别标记对应的反夸克。例如，由两个上夸克，一个下夸克，一个魅夸克，一个反魅夸克组成的五夸克粒子标记为uudcc。在五夸克粒子里，夸克被强作用力束缚在一起，强作用力能够促使所有色荷相互抵销。更仔细说，在介子里，夸克必须与反色荷的反夸克配对在一起，例如，蓝色夸克与反蓝色反夸克；在重子里，三个夸克必须从三种色荷中各自选择不同的色荷，例如，红色、蓝色与绿色。在五夸克粒子里，色荷必须相互抵销。唯一可行的组合是设定一个夸克为某颜色，另一个夸克为另一种颜色，另两个夸克为第三种颜色，最后一个夸克为第三种颜色的反颜色。物理学者尚不清楚五夸克粒子的束缚机制，可能是五个夸克紧紧地束缚在一起，也可能是一个重子与一个介子松松的束缚在一起。默里·盖尔曼于1964年最早提议奇异强子存在。1979年，丹尼尔·斯特劳曼（英语：Daniel Strottman）给出模型描述由四个夸克与一个反夸克组成的强子。1997年，俄罗斯圣彼得堡科学院核物理学院（英语：Petersburg Nuclear Physics Institute）的理论物理学者马克沁·波利亚科夫（英语：Maxim Polyakov）、维克托·佩特罗夫（英语：Victor Petrov）和德米特里·帝雅克诺夫（英语：Dmitri Diakonov）预言由两个上夸克、两个下夸克与一个奇夸克组成的五夸克粒子存在，并将这种粒子命名为Θ+。它的质量约为1530MeV、宽度约为15MeV，比较特别的性质是它的奇异数为1，做实验可以很容易从奇异数辨识出这粒子的存在。由于五夸克粒子必须拥有一个反夸克，假若反夸克的风味匹配任何其它夸克的风味，这夸克-反夸克对会相互抵销，因此五夸克粒子会貌似它的三夸克重子，所以许多种类的五夸克粒子都很难在实验里辨识出来。为了避免这问题，早期五夸克粒子探索实验会寻找夸克-反夸克对不相互抵销的粒子。在2000年代中期，有几个实验声称，揭露了五夸克态。特别是2003年在日本春天八号同步辐射设施完成的“春天八号激光电子光子实验”（LEPS实验）显示出质量为1540MeV的共振态，显著性差异为4.6 σ。这实验得到的结果跟1997年波利亚科夫等的理论预言相符合。在此之后，又有九个独立实验发布报告表示，观测到n K+ 与p K0 的狭窄峰值，质量在7003152200000000000♠1522 MeV/c2与7003155500000000000♠1555 MeV/c2之间，显著性差异都超过4 σ。虽然对于这些实验结果的正确性仍旧存有质疑，在2004年《粒子物理学评论（英语：Review of Particle Physics）》里，粒子数据小组（英语：Particle Data Group）给予Θ+三颗星评估，最高是四颗星。另外还有两个五夸克态被观察到，它们是质量分别为6990298004826582000♠1860 MeV、6990496514493321299♠3099 MeV的Φ−− (ddssu)与 Θ0c (uuddc)。它们后来都被更正为统计效应，而不是真实共振态。在LEPS实验之后，约有十个独立实验试图寻找Θ+，但都未获成功。其中两个实验（一个在BELLE，另一个在CLAS（英语：CLAS detector））分别与先前声称观测到Θ+粒子的两个实验（DIANA实验（英语：DIANA）与SAPHIR实验（英语：SAPHIR））几乎相同。2006年《粒子物理学评论》总结，曾经声称观测到Θ+的每一个原本实验，都尚未获得高统计量确认。杰佛逊实验室（英语：Jefferson Lab）完成两个高统计量重复实验，它们明确地证实，原本两个声称观测到Θ+的实验都不正确。另外，还有一些已完成的高统计量实验，它们都没有找到Θ+的蛛丝马迹。关于另外两个声称观测到Θ+五夸克态的实验，所有尝试确认那些结果的实验都获得负结果。一般而言，五夸克粒子不存在；特别而言，Θ+不存在。这结论显得很有说服力。2008年《粒子物理学评论》更进一步表示，近期有两个或三个实验对于在标称质量附近获得薄弱的信号证据，但鉴于压倒性的证据声称五夸克粒子不存在，将它们胪列出来是毫无意义的……整个故事──发现本身、紧跟着像涨潮般的论文、最终的退潮发现──在科学历史上是一集相当古怪的连续剧。尽管有那么多显目的零结果（英语：null result），LEPS团队于2009年仍旧表示，在质量为6990244171696618800♠1524±4 MeV之处观测到狭窄态存在，显著性差异为5.1 σ。针对这争论，那时期有很多实验如火如荼地进行着。2015年7月13日，LHCb实验团队在Λ0b→J/ψK−p衰变道辨识出五夸克粒子；在这衰变道里，底Λ粒子 （Λ0b）衰变为一个J/ψ介子（J/ψ）、一个K介子 （K−）与一个质子（p）。实验数据显示，有时候，底Λ粒子不会通过Λ*居间态（英语：intermediate state）衰变为一个K介子 （K−）与一个质子（p），而会间接地通过五夸克居间态（英语：intermediate state）P+c；两个被发现的居间态P+c（4380MeV）与P+c（4450MeV）在统计学的显著性差异分别为9 σ与12 σ，总合起来为15 σ ，足够证实这发现。更多数据分析还排除了这是由普通粒子造成的效应的可能性。LHCb实验又观测到两个五夸克态都强烈地衰变为J/ψp，因此可推论其价夸克拥有两个上夸克、一个下夸克、一个魅夸克与一个反魅夸克；标记为uudcc，它们是一种魅偶素-五夸克粒子。LHCb的主要任务是研究物质-反物质不对称性，而不是探索研究五夸克粒子。欧洲核子研究组织发言人表示，“我们并没有积极地寻找它，我们意外地找到了它。”2019年根据2015-2018年LHCb的数据观察到新的五夸克粒子，新粒子为P+c（4312MeV），会衰减成一个质子和一个J/ψ介子（由一个粲夸克和反粲夸克构成）。并观测到2015年发现的五夸克结构P+c（4450MeV）实际上是由两个质量相近的共振态P+c（4440MeV）和P+c（4457MeV）叠加而成。最新观察的统计显著性达到了 7.3 σ，远远超过了 5 σ这个阈值。这三个五夸克态的宽度都很窄，质量略低于Σ+cD0和Σ+cD*0质量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态，它们为重子和介子分子态的存在提供了迄今为止最有力的实验证据。五夸克粒子的发现让物理学者能够更细致地研究强作用力，从而助益对于量子色动力学的了解。另外，当今理论意味着，当有些非常巨大恒星塌缩时，会制成五夸克粒子，对于五夸克的研究或许可以帮助人们了解中子星的物理。