一种难以捉摸的粒子最初形成于炎热稠密的早期宇宙，几十年来一直困扰着物理学家。在2003年发现它之后，科学家们开始观察与大爆炸后百万分之一秒有关的一系列其他奇怪物体。
这些信号在高能实验的数据中以“凸起”的形式出现，被称为短暂的“XYZ状态”。它们违背了粒子行为的标准图景，是当代物理学中的一个问题，引发了几次试图理解它们神秘本质的尝试。
但是，位于弗吉尼亚州的美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的理论学家和剑桥大学的同事们认为，实验数据可以用比目前声称的更少的XYZ态（也称为共振）来解释。
该团队使用量子物理学的一个分支来计算含有特定“味道”的亚原子构建块（称为夸克）的粒子的能级或质量。夸克和胶子（一种携带力的粒子）一起构成了强作用力，是自然界的四种基本力之一。
研究人员发现，具有相同自旋度（或角动量）的多个粒子状态是耦合的，这意味着每个自旋通道中只存在一个共振。这种新的解释与其他一些理论和实验研究相反。
研究人员在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《物理评论d》（Physical Review d）上为国际强子光谱合作组织（HadSpec）发表的两篇论文中介绍了他们的研究结果。这项工作还可能为一种神秘粒子X（3872）提供线索。
粲夸克是六种夸克“味道”之一，于1974年首次在实验中被观察到。它是与反物质“反粲子”一起被发现的，以这种方式配对的粒子是一个被称为“粲子”的能量区域的一部分。
2003年，日本研究人员发现了一种名为X（3872）的新氙候选者：一种短寿命的粒子状态，似乎与目前的夸克模型背道而驰。
剑桥大学应用数学和理论物理系（DAMTP）的首席作者大卫·威尔逊博士说：“X（3872）现在已经有20多年的历史了，我们仍然没有得到一个清晰、简单的解释，让每个人都能理解。”
由于现代粒子加速器的强大功能，在过去的二十年里，科学家们已经探测到一堆奇异的粲粲子候选态。
“高能实验开始看到凸起，被解释为新粒子，几乎在他们看到的任何地方，”威廉与玛丽的合著者Jozef Dudek教授说。“这些州中很少有人同意之前的模式。”
但现在，通过创建一个微小的虚拟“盒子”来模拟夸克的行为，研究人员发现，几个假设的XYZ粒子实际上可能只是一个粒子，以不同的方式被看到。这可能有助于简化科学家多年来收集的令人困惑的数据。
尽管他们研究的体积很小，但团队需要强大的计算能力来模拟夸克的所有可能行为和质量。
研究人员利用剑桥大学和杰斐逊实验室的超级计算机推断出介子（由夸克和它的反物质对应体组成）衰变的所有可能方式。为了做到这一点，他们必须将他们的小虚拟盒子的结果与几乎无限的体积——也就是宇宙的大小——中会发生的事情联系起来。
“在我们的计算中，不像实验，你不能只是发射两个粒子，然后测量两个粒子出来的结果，”威尔逊说。“你必须同时计算所有可能的最终状态，因为量子力学会为你找到它们。”
这些结果可以用一个短暂存在的粒子来理解，它的外观可能会根据观察到的衰变状态而有所不同。
威尔逊说：“我们正试图尽可能地简化这幅图，使用基础理论和现有的最佳方法。”“我们的目标是解开实验中看到的谜团。”
现在这个团队已经证明了这种计算是可行的，他们准备把它应用到神秘的粒子X（3872）上。
“X（3872）的起源是一个悬而未决的问题，”威尔逊说。“它似乎非常接近一个阈值，这可能是偶然的，也可能是故事的关键部分。这是我们很快就会关注的一个问题。”
同样来自DAMTP的克里斯托弗·托马斯教授是强子光谱合作组织的成员，也是当前研究的合著者。威尔逊的贡献部分得益于他与英国皇家学会的八年奖学金。这项研究也得到了科学技术设施委员会（STFC）的部分支持，该委员会是英国研究与创新（UKRI）的一部分。这项研究的许多计算都是在剑桥数据驱动发现中心（CSD3）和剑桥DiRAC高性能计算设施的支持下进行的，由剑桥研究计算服务部管理。
参考:
大卫·j·威尔逊等。晶格QCD耦合通道散射中的标量和张量调和子共振物理评论快报（2024）。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.132.241901
大卫·j·威尔逊等。晶格QCD耦合通道散射中的Charmonium xc0和xc2共振物理评论D（2024）。DOI: 10.1103 / PhysRevD.109.114503
改编自杰弗逊实验室的一个故事。
