美丽迷人的四夸克新家族：研究照亮了量子色动力学的新视野

预测的四夸克示意图，T公元前，由四个夸克组成：美夸克、魅力夸克和两个轻反夸克。图片来源：尼尔马尼·马图尔

数学科学研究所（IMSc）和塔塔基础研究所（TIFR）的研究人员最近在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上发表了一项新发现，探索了亚原子粒子的复杂领域。他们的研究照亮了量子色动力学（QCD）的新视野，揭示了奇异的亚原子粒子，并突破了我们对强力的理解。

这种探索的核心是神秘的基本强力，它产生了宇宙中几乎所有可见物质的质量。少数基本粒子，称为夸克，通过交换胶子进行有趣的相互作用，创造出所有复合的亚原子粒子，最终形成我们宇宙中所有可见的物质。

这种理解的核心是QCD理论，它控制着强相互作用的动力学。QCD允许将夸克的中性颜色组合形成亚原子粒子，通常称为强子。传统上，强子被分为两大类：介子，如介子，由一个夸克和一个反夸克组成，以及重子，如质子，由三个夸克组成。

然而，除了这些类别之外，还有奇异的强子，包括那些具有四个、五个或六个夸克的强子，甚至是带有胶子的粒子，如胶球。直到最近，这些奇异强子的存在对于粒子物理学家来说在很大程度上仍然是未知的领域。

在过去的十五年里，一连串的实验发现照亮了这个以前晦涩难懂的领域，揭示了奇异强子的丰富光谱，这些强子违背了传统的强力概念，挑战了我们对亚原子粒子的理解。

在这些奇异的强子中，有四夸克，它由四个夸克（更准确地说，两个夸克和两个反夸克）组成。它们可以以高度紧凑的形式存在，也可以作为两个介子或其他东西的松散结合分子存在：它们的精确结构仍然是个谜。它们也被观察到是最常见的外来物种，预计未来会发现更多。

理论研究可以通过预测夸克含量和可能的能量范围来帮助这些发现。在最近的这项工作中，来自TIFR理论物理系的Nilmani Mathur教授和博士后研究员Archana Radhakrishnan博士以及来自IMSc的M. Padmanath博士预测了一种新型四夸克的存在。这种新的亚原子粒子由一个美夸克和一个魅力夸克以及两个轻反夸克组成，它属于一个四夸克家族，称为T公元前：美丽迷人的四夸克。

研究人员利用印度晶格规范理论计划（ILGTI）的计算设施进行了这项计算。利用底部介子和魅力介子之间的相互作用研究了这种特殊四夸克的形成。利用不同晶格间距和价轻夸克质量的变分技术，研究了有限体积内相互作用介子系统的能量特征值，并得出了该四夸克的存在。

与预测的粒子类似，可能还有其他四夸克具有相同的夸克含量，但具有不同的自旋和奇偶性。这一预测来得正是时候，恰逢最近发现的四夸克（T抄送）包含两个魅力夸克和两个轻反夸克。

因此，新预测的粒子或相关变体很有可能使用类似的实验方法被发现，因为其产生和检测所需的能量范围和光度正变得越来越容易获得。

此外，预测粒子的结合能超过了任何发现的四夸克的结合能，并且随着轻夸克质量的增加，结合力减弱，暗示了不同夸克质量体系之间强相互作用的复杂动力学，并阐明了强子形成中强力的有趣特征，特别是那些具有重夸克的强子。

这也为在下一代实验中寻找更重的奇异亚原子粒子带来了额外的动力，这些粒子可用于破译强大的力量并释放其全部潜力。

更多信息： M. Padmanath et al， Bound Isoscalar Axial-Vector bcud Tetraquark T公元前来自使用双介子和双夸克-反二夸克变分基的晶格 QCD，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.201902

期刊信息： Physical Review Letters