神秘的罕見粒子
在大爆炸後的百萬分之一秒内，宇宙是一團洶湧、混亂、高溫的誇克和膠子等離子體。之後，随着宇宙的膨脹和冷卻，誇克開始互相結合，形成一種名為強子的複合粒子。強子包括由一個誇克和一個反誇克組成的介子，以及由三個誇克結合在一起的重子，我們熟悉的質子和中子就都是重子。
普通強子。| 圖檔設計：雯雯子
不過，在冷卻前的混沌期，也就是在質子和中子形成之前，這些基本粒子會以數不盡的組合形式短暫地黏在一起。其中一部分誇克和膠子會在随機碰撞中，形成壽命短暫的“X”粒子。正如它的名字那樣，這些粒子有着神秘的、至今未知的結構。
現在，一個國際實體學家團隊利用歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）所産生的誇克膠子等離子體資料，發現了一種X粒子存在的證據。他們将研究結果發表在了近期的《實體評論快報》上，标志着科學家首次在誇克膠子等離子體中探測到了X粒子。
X(3872)的未知結構
中子和質子是普通物質的基本組成部分，它們都是由三個緊密結合的誇克組成的。在很長一段時間裡，實體學家一直認為，出于某種原因，自然界中隻有由兩個或三個誇克形成的粒子。
然而，在上世紀60年代,實體學家默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）意識到，誇克或許還能以其他的方式組合。例如，兩個誇克和兩個反誇克或許可以黏在一起形成四誇克态，而四個誇克和一個反誇克可以黏在一起形成五誇克态。
近年來，實體學家開始發現奇異的四誇克态的蹤迹。2003年，日本KEK實驗室的實體學家在進行Belle實驗時，發現了一種名為X(3872)的新粒子。這種粒子是以其預估品質命名的，它們表現出了完全不同于普通介子的奇異特性。
Belle實驗是一項将高能的電子和正電子碰撞在一起的粒子對撞實驗。在這種環境下，這些罕見的X粒子會迅速衰變，以至于科學家根本來不及詳細研究它們的結構。是以時至今日，科學家仍不确切地知道X(3872)的内部結構，他們懷疑X(3872)要麼是一種緊湊的四誇克，要麼是一種全新的分子，這種分子不由原子組成，而是由兩個松散結合的介子組成。
四誇克态的兩種可能構成。| 圖檔設計：雯雯子
有人提出，或許在誇克-膠子等離子體環境中，可以更好地揭示X(3872)和其他奇異粒子的奧秘。因為從理論上看，等離子體中所含有的大量誇克和膠子能夠增強X粒子的産生，但實際情況是，這樣的誇克湯中還會有大量的其他粒子産生。是以要想通過這種方法來尋找X粒子，會是一項極為艱難的任務。
機器學習算法篩查海量資料
在新研究中，研究團隊試圖通過搜尋LHC的重離子碰撞所産生的誇克膠子等離子體資料來尋找X粒子的迹象。他們分析的是LHC在2018年生成的資料集，這些資料覆寫了130多億次的鉛離子碰撞，每次碰撞都會釋放出誇克和膠子。在冷卻和衰變之前，這些誇克和膠子會散射和合并，形成超過10 個壽命短暫的粒子。
在誇克-膠子等離子體形成并冷卻後，每次這樣的碰撞都會産生大量粒子，這意味着在這樣超密集的高能粒子湯中尋找X粒子時，所需面對的背景噪聲是壓倒性的。研究人員必須設法擊破這個問題，才有可能最終在資料中看到X粒子。
為此，他們使用了一種機器學習算法，試圖通過訓練算法來識别X粒子的衰變模式特征。
粒子在誇克-膠子等離子體中形成之後，會立即分解成“子”粒子，然後散開。在這些粒子中，X粒子的衰變模式，或者說角分布，有别于所有其他粒子。研究人員确定了描述X粒子衰變模式形狀的關鍵變量，然後訓練機器學習算法來識别這些變量，再将LHC碰撞實驗産生的實際資料輸入算法中。這種算法能夠對極其密集和嘈雜的資料集進行篩查，挑選出可能代表了X粒子衰變的關鍵變量。
最終，研究人員成功地将背景噪聲降低了幾個數量級，進而看到了信号。他們将信号放大，在一個特定的品質位置觀察到了一個峰值，表明了X(3872)粒子的存在，且其數量總共約100個。
故事才剛剛開始
從如此龐大的資料集中梳理出100個粒子，幾乎是不可想象的挑戰。研究人員對他們的結果進行了多次檢查，以確定他們真的觀測到了這樣的信号。現在，他們已經成功地證明了X粒子可以在誇克膠子等離子體中被探測到。
不過，實體學家表示，這将隻是故事的開始。雖然已經證明他們可以這樣來尋找X粒子，但在接下來的幾年裡，他們希望利用誇克-膠子等離子體，能夠幫助他們更詳細地探測X粒子，以确定X粒子的内部結構。
X粒子究竟是緊密結合的四誇克，還是松散結合的分子？目前，已有的資料對這兩種可能性的支援是等同的，隻有繼續收集更多的資料才有可能幫助區分這兩種情況。到那時，我們對産生于早期宇宙中的大量産粒子或許将有新的認知。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.mit.edu/2022/x-particles-quark-gluon-plasma-detection-0121
https://theconversation.com/cern-physicists-report-the-discovery-of-unique-new-particle-142315
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.032001
#圖檔來源：
封面圖：geralt/Pixabay
首圖：CERN