物理学家首次在所谓的「原始汤」中侦测到神秘的 X 粒子

一种被认为曾经在大霹雳（the Big Bang）后短暂存在过的神秘粒子，首次在 「 原始汤（primordial soup） 」 中被侦测到。

Mysterious existence
特定地来说，这种粒子是在被称作夸克-胶子电浆（quark-gluon plasma）的媒介、借由在大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）中碰撞铅离子而产生的。在由这些碰撞所产生的数兆颗粒子之间，物理学家试著找出 100 颗这些奇异的微粒，称作 X 粒子（X particle）。

麻省理工学院的物理学家、暨位于瑞士的欧洲核子研究组织（CERN）的紧凑缈子线圈（Compact Muon Solenoid，CMS）国际合作组织成员之一的李严基博士（Yen-Jie Lee）说：「这仅仅是故事的开端。我们显示我们可以找到一个讯号。在接下来的几年，我们想要使用夸克-胶子电浆来探测 X 粒子的内部结构，这可能可以改变我们的观点，关于宇宙应该要产生哪一种材料。」

在大霹雳后的短暂瞬间，最初的宇宙并非由我们今日所见、漂浮在周围的物质所组成的。反而是，有这么百万分之一秒，宇宙间充满了加热至数兆度的电浆，包含了被称作夸克（quark）与胶子（gluon）的基本粒子。这就是夸克-胶子电浆。

在比眨眼还要短暂的时间内，电浆冷却下来，而粒子结合在一起，形成质子与中子，也就是建构成今日一般物质的粒子。但就是在那非常短暂的时间内，在夸克-胶子电浆内的粒子们碰撞、纠缠在一起、然后再度散开形成不同的组态。

那些组态中的其中一种就是如此神秘的粒子，以至于我们甚至不知道它们是如何组合在一起的。这就是 X 粒子，且其在粒子对撞机中很少被看到，且出现时间亦很短暂，以至于难以探测。

大海捞出针
然而，理论上来说，X 粒子可能会非常短暂地出现在，物理学家多年来不断在粒子加速器中所创造的夸克-胶子电浆中。而这可能提供了一个更好的机会来认识它们。

在 2018 年 LHC 的运转过程中，带正电的铅原子以高速撞击在一起。大约 130 亿次撞击中的每一次都会产生数万颗粒子。这可是好一大笔需要筛选的资料。

李博士说：「理论上来说，在电浆中有如此多的夸克与胶子，以致于 X 粒子的生成量应该也会增加。但是人们认为会太难以找到它们，这是因为有其他如此多的粒子也生成于夸克汤中。」

虽然 X 粒子的寿命很短，但是当它们衰变时，它们会制造出大量的较低质量的粒子。为了精简化数据分析的过程，研究团队研发出了一个演算法，来辨识 X 粒子衰变的特征模式。接著，他们将 2018 年 LHC 的资料输给了该软体。演算法辨别出了在一个特定质量下的讯号，代表著在资料里面存在有约 100 颗 X 粒子。这是个非常好的开始。

李博士说：「这几乎无法想像，我们可以从这么庞大的资料库中，筛出这 100 颗粒子。」

未来目标
在目前这个时间点，这些资料还不足以了解关于 X 粒子结构的更多事情，但是这项发现可以带我们更近一步。既然我们已经知道如何找到 X 粒子的特征，要从未来的资料组中筛出它们应该更简单。反过来说，若我们拥有更多可用的资料，就更容易了解它们。

质子与中子每个都是由 3 颗夸克所组成的。物理学家认为 X 粒子可能是由 4 颗夸克所组成，有可能是由一种奇特的、紧密键结的四夸克（tetraquark）所组成，或是由一种键结较松的、由两颗介子（meson）所组成的新粒子所组成，而一颗介子共包含两颗夸克。如果是前者的话，因为它们键结更紧密，所以会比后者衰变得更为缓慢。

李博士说：「目前，我们的数据与两种情况的数据均一致，因为我们还没有足够的统计数据。在接下来几年，我们会取更多数据，如此一来我们就能分别这两种情况。这样就能够增加我们的视野，关于在早期的宇宙中，有哪种粒子大量地被制造。」

参考资料：

斯塔尔，(2022年，1月24日)。物理学家首次在“原始汤”中发现神秘的X粒子。ScienceAlert
Sirunyan等，(2022,1月19日)。Pb-Pb碰撞中X(3872)的证据及其在√sNN = 5.02 TeV时迅速产生的研究物理评论快报。doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.032001

图片来源：https://www.sciencealert.com/for-the-first-time-mysterious-x-particles-have-been-detected-in-quark-gluon-plasma（图：CERN）

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