新發現的五夸克粒子，讓我們對物質的認知有了那些提升？

11-28

普通網民，對物理專有名詞翻譯可能不到位，望見諒和提出改正。提問是因為剛看到最新的BBC科技新聞：
Large Hadron Collider discovers new pentaquark particle

謝邀。
歐洲人啊，總想搞個大新聞，蛤蛤。如果是真的，這確實會成為一個大新聞。個人認為，有可能入選今年的世界「物理學十大進展」。

標準模型(Standard Model)作為當代粒子物理學最成功的模型，預言了一系列粒子，都被實驗一一地發現。隨著希格斯粒子(Higgs boson)被歐洲核子中心發現，標準模型內的所有基本粒子都被發現了。

那麼現在發現的「五夸克態」是否超出了標準模型之外？其實並沒有。「五夸克態」不屬於基本粒子，但它是由夸克組成的，目前來看，它有可能是由一個介子和一個重子耦合而成的「奇異分子態」(exotic molecule)。
簡單來說，介子(Meson)是由一個夸克和一個反夸克組成的夸克對，重子(Baryon)是由三個夸克組成的三夸克態。這個新發現的「五夸克態」可能是介子和重子耦合得到，但也有可能它是由五個夸克直接耦合得到的。不管是哪種可能，它的成分都應該含有五個夸克。

標準模型框架內的夸克模型是允許「奇異態」存在的，通常情況下，夸克要麼是組成「夸克-反夸克」對，例如K介子，π介子等；要麼是組成三夸克態，例如質子和中子等。由於色禁閉，單夸克態是不允許存在的。但是，量子色動力學並不禁止「四夸克態」和「五夸克態」的存在，這麼多年來，高能物理的實驗物理學家一直在各種加速器和對撞機上搜尋這些「奇異態」。

如果這些「奇異態」沒有被發現，則說明我們的標準模型以及量子色動力學很有可能不那麼正確。前面的二十幾年基本沒有什麼實驗進展，而近幾年卻頻頻有所發現。這次的「五夸克態」是一個奇異態，它是對量子色動力學的一次正確檢驗，是標準模型的勝利。其實物理學家也喜歡搞大新聞，如果能發現標準模型錯了，我們會更高興，因為這樣我們就能發現新物理，滿足人類對自然界的好奇心，才有工作，有飯吃……

標準模型並非萬能，實際上它不是終極理論，它也有不能解釋的東西，比如暗物質、暗能量是什麼？比如中微子為什麼有質量，而且會振蕩？這些它都沒法解釋。也許我們正處於又一次物理學革命的前夕，就像二十世紀初，量子力學和相對論被發現的前夕。

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我們來通俗易懂地解讀一下LHC的這次發現：http://arxiv.org/abs/1507.03414

這個「五夸克態」是在研究衰變 $Lambda_{b}^{0} o J/psi K^{-} p$ 時發現的， $Lambda_{b}^{0}$ 是重子，夸克成分是( $udb$ )；它衰變到 $J/psi K^{-} p$ ，其中介子 $J/psi$ 是粲偶素，夸克成分( $car{c}$ )；介子 $K^{-}$ 夸克成分是( $ar{u}s$ )；重子 $p$ 也就是質子，成分( $uud$ )。這個衰變的兩個費曼圖如下：

也就是說 $Lambda_{b}^{0} o J/psi K^{-} p$ 的末態雖然是 $J/psi K^{-} p$ ，但是它有兩個可能的中間過程：
(a) $Lambda_{b}^{0} o J/psi Lambda^{*}, Lambda^{*} o K^{-} p$
(b) $Lambda_{b}^{0} o K^{-}P_{c}^{+}, P_{c}^{+} o J/psi p$

然後實驗發現，

(a)在 $Kp$ 的不變質量譜上，1.5GeV附近觀察到 $Lambda^{*}$ 的峰，這是沒什麼問題的
(b)在 $J/psi p$ 的不變質量譜上，咦，怎麼4.5GeV附近有一個結構？是什麼東西？在已經發現的各種粒子中，沒有哪個粒子的質量是在這附近的啊！啊蛤，新東西，excited！

(b)這顯然是一個新的共振態，很明顯，不是漲落引起的。既然它的末態是 $J/psi$ ，成分( $car{c}$ )，還有 $p$ ，成分( $uud$ )。那麼顯然這個峰的成分是( $uud+car{c}$ )，exotic！

LHC把新發現的粒子命名為 $old{P_{c}^{+}}$ ，帶一個正電(+)，並且含有粲夸克(c)。
我這裡把LHC的分析過程簡略了，實際的研究過程當然沒有這麼簡單，我們看到的不變質量譜包含了很多的本底，需要大量的工作。它用的分析方法是(amplitude analysis)，在分析的時候實際使用了兩個Breit-Wigner amplitudes。其中一個的質量是 $4380pm8pm29MeV$ ，寬度是 $205pm18pm86MeV$ ，自旋是3/2；另一個的質量是 $4449.8pm1.7pm2.5MeV$ ，寬度是 $39pm5pm19MeV$ ，自旋是5/2。

新發現的 $P_{c}^{+}$ ，質量在4.5GeV附近，現在的關鍵是，其他實驗組能否重複LHC的這一發現？一個科學發現能否被承認的關鍵是：是否可重複？

遺憾的是，我國主導的BESIII國際合作組，使用的是北京正負電子對撞機，能區大概在1GeV到4.5GeV，恰好——沒法達到 $P_{c}^{+}$ 的質量閾。。。。(參見評論區的意見，要達到能夠產生 $P_{c}^{+}$ 的區間，能量要求可能接近6GeV)
所以！中國需要能量更大的加速器！LHC（大型強子對撞機）可能的後繼者（計劃）有哪些？ - 知乎用戶的回答

國外除了LHC外，Belle實驗組是可以達到 $P_{c}^{+}$ 的質量區間的，希望Belle能夠驗證LHC的結果，我們拭目以待。

PS：四夸克態和五夸克態都是標準模型裡面的奇異態，四夸克態已經被發現了。由中國建設的北京正負電子對撞機(BEPCII)，上面運行的探測器叫「北京譜儀」(BES)。
中國的BESIII國際合作組在2013年發現了四夸克態 $Z_{c}(3900)$ ，這個發現在當年被評為世界十大物理學進展之首。
Physics - Notes from the Editors: Highlights of the Year
北京譜儀國際合作組發現四夸克物質Zc(3900)入選2013年物理學重要成果----中國科學院高能物理研究所
(又PS：來點八卦，BESIII合作組先發現了Zc，日本的Belle合作組隨後證實了這個發現。實際上——是同一個人發現了這個粒子，因為此人既是BESIII的合作成員，又是Belle的合作成員，他機智地把BESIII的結果先發出來了，所以榮譽屬於中國……這個事情一度引起Belle合作組的不滿，然並卵。
Zc發現者的內心獨白：有本事你打我啊，我是中國科學家)

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這麼久都沒有新答案，我也添加一個，希望熟悉理論的同學能夠多補充。

首先說一下，這個工作是清華大學（還有美國的雪城大學）主導做出來的。
清華大學研究團隊在五夸克態發現中做出重要貢獻

以我的個人經驗來看，雖然這是個激動人心的消息，但是要從中提取出有價值的理論結果，恐怕還需要一段時間。事實上，從2003年的X(3872)開始，各種各樣的奇異態已經非常多了，這些粒子通常都叫做XYZ，因為還不清楚它們的具體的結構。但是即使是寬度非常窄並且產額相對較高的X(3872)，也仍然有不同的聲音，有說是DDbar分子態，也有說是閾值效應的，沒有明確的結論。

現在arXiv上已經有兩篇文章解釋這東西了，http://arxiv.org/abs/1507.03704
http://arxiv.org/abs/1507.04249 瞄了一眼，似乎都是解釋成D和SigmaC的分子態。和X(3872)的解釋沒什麼本質上的區別。

所以我感覺真要弄明白這粒子到底是什麼，可能還要比較長的一段時間。。。