如果奇怪的性夸克粒子真的存在的话,它们可能是不死的

性夸克能证明暗物质,也就是暗物质由性夸克组成,那么为什么我们检测不出性夸克呢?

理论上性夸克能形成暗物质,长期的实验却没能发现性夸克,科学是需要不断地尝试。

简介:几十年来,物理学家们一直在研究把所有物质内部粘在一起的胶水背后的数学原理,他们发现了一种奇怪的假设粒子—性夸克。性夸克的性质或许与暗物质的形成有关。虽然目前并未在任何实验室发现它的存在,但加州SLAC国家加速器实验室的BaBar探测器非常擅长于产生许多夸克组合。如果性夸克真实存在,BaBar将是最有机会验证它存在的探测器。

这些极其稳定的粒子可以解释暗物质。

(图片: 快门)

几十年来,物理学家们一直在研究把所有物质的内部粘在一起的“胶水”背后的数学原理,发现了一种奇怪的假设粒子,这种粒子从未出现在任何实验中。这个怪胎被称为性夸克,由六个不同味道的夸克组成。

除了是一个听起来很酷的角色外,这个怪胎最终可以解释一直令人发狂的神秘暗物质。物理学家发现,如果性夸克有一个特定的质量,它就可以永远存在。

自然界中的夸克

几乎你所知道和热爱的一切都是由被称为夸克的微小粒子构成的,夸克分为六类,分别是:上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克。上下夸克是最轻的,这使得它们是迄今为止最常见的。(在粒子物理学中,粒子越重,就越有可能衰变成更小、更稳定的东西。)

你体内的质子和中子都是由三个夸克组成的,两个上夸克和一个下夸克形成一个质子,两个下夸克和一个上夸克形成一个中子。事实上,由于强作用力的复杂性,夸克真的喜欢以三个一组的形式出现,这也是迄今为止最稳定和最常见的构型。

偶尔在我们的粒子对撞机中,我们会制造出由一对夸克组成的粒子;这些凝聚体是不稳定的,很快就会衰变成其他东西。有时候,当我们非常努力的时候,我们可以把五个夸克粘在一起,使它们在衰变成其他东西之前,能很好地相互作用。

到目前为止,这些都是我们能够制造的夸克组合。

然而,过程中可能出现一些奇怪的东西。

元素的融合

经过几十年对强原子核数学方面的探究,物理学家发现了一种奇怪的组合,这种组合尚未出现在我们的实验中:一个由六个夸克组成的排列,由两个上夸克,两个下夸克和两个奇夸克组成:性夸克。

理论并不能预测性夸克的质量;这个值将取决于粒子内部每个夸克的精确排列和相互作用,因此由实验物理学家来确定。至于性夸克的稳定性?计算表明,如果它的质量低于某一临界值,它将永远保持稳定,这意味着它永远不会衰变。如果质量稍大一点,但仍低于某一临界值,那么粒子就会衰变,但经过此类长时间的过渡,它可能会永远稳定。

那么如果性夸克稳定的话,为什么我们从来没见过呢?

奇怪的是,性夸克的的稳定质量范围低于许多粒子对撞机实验所能创造的临界值;这些机器被设计用来研究更稀有、更重、更快的粒子。换言之,这些年来,性夸克可能只是在雷达的监视下飞行,隐藏在人们的视线中。

但是粒子对撞机并不是唯一一个制造性标记的地方。宇宙大爆炸最早的时刻是一个狂热的核能温床,其温度和压力高到足以让从未加工的“夸克汤”中融合氦和氢。而那个熔炉也可能让我们的宇宙充满了性夸克标记,以及所有更为熟悉的亚原子特征。

初步计算表明,如果性夸克是质量范围内的一个真实物体,它可能在早期宇宙大爆发中大量产生。它本可以在那场爆发中幸存下来。事实上,性夸克仍然存在,并没有真正与任何东西相互作用,并没有真正衰变成其他任何东西,也没有因为它们的质量而在它们聚集的任何地方产生额外的引力。

哪种粒子看不见但是充斥着宇宙,并且只通过引力相互作用?没错,那就是暗物质。

暗物质中的光

为了让性夸克形成暗物质它必须实际存在。这是目前争论的话题,因为它从未在粒子对撞机实验中被发现。但正如我们之前所看到的,性夸克相对较轻的质量可能意味着它能够悄悄溜走,仅仅是因为我们没有寻找它。

但这已经开始改变了。加州SLAC国家加速器实验室的BaBar探测器非常擅长于产生许多夸克组合,包括一些非常重的夸克,它们衰变为更稳定和更合理的排列。如果存在,BaBar探测器也应该产生性夸克的成果。

1月2日发表在arXiv数据库上的一篇文章报道了最新的结果:没有任何性夸克的迹象。但这一发现只有90%的可信度。这意味着,如果夸克的更大质量和更不稳定的组合衰变为稳定的六分点,它们很少这样衰变,几乎是每1000万只衰变一次。

这是否排除了性夸克作为暗物质候选者的可能性?不完全是。可能是早期宇宙的条件允许制造足够多的性夸克的标记,它们可以解释我们估计宇宙中暗物质的数量。但新的结果确实使得用性夸克标记来解释暗物质具有挑战性。

但这是一个很好的尝试,科学需要不断尝试。

保罗·萨特是石溪大学熨斗研究院的一名天体物理学家,《问一个太空人》和《太空广播》的主持人,《你在宇宙中的位置》的作者。

BY: Paul Sutter - Astrophysicist

FY: 拾壹

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