问题

刚被LHC发现的Xicc++这样的重子还有多少种?为什么重子物质在自然条件下观测不到?

回答
你提出的这个问题非常有意思,触及到了粒子物理学的前沿和宇宙学中的一个核心谜团。我们来逐一拆解,尽量说得透彻明白。

首先,关于 LHC 发现的 Xicc++ 这样的重子还有多少种?

这里的关键在于“Xicc++ 这样的重子”。Xicc++ 是一种“双粲重子”,这意味着它的构成夸克是两个粲夸克(c)和一个上夸克(u)。要理解还有多少种,我们需要先明白重子和夸克的分类。

夸克家族: 自然界中存在六种夸克,它们被分为三代:
第一代:上(u)、下(d)
第二代:粲(c)、奇(s)
第三代:顶(t)、底(b)

重子构成: 重子是由三个夸克组成的复合粒子。根据夸克的组合,可以有多种类型。

Xicc++ 的特殊性: Xicc++ 的奇特性在于它包含了两个粲夸克。粲夸克是第二代的夸克,相对较重。由于夸克之间存在强相互作用(由胶子传递),它们会“禁闭”在重子内部,你无法单独观测到单个自由的夸克。

现在回到问题:Xicc++ 这样的重子还有多少种?

准确地说,Xicc++ 是 双粲重子 的一种。在“双夸克”的意义上,我们可以根据不同的夸克组合来想象(理论上存在但未必稳定或容易观测到的)重子。

1. 按照夸克种类区分:
UUU, UUD, UDU, DUU, UDD, DUD, DDU, DDD: 这些是第一代夸克(u, d)组成的重子,最常见的就是质子(uud)和中子(udd)。
包含第二代夸克(c, s):
单粲重子: 例如 Lambda_c (udc), Sigma_c (uuc, udc, ucc), Xi_c (usc, dsc), Omega_c (scc) 等等。这些重子含有一个粲夸克,Xicc++ 并非此类。
双粲重子: Xicc++ (u c c) 就是其中一种。还有其他组合,比如 Xib (d c c), Xib' (s c c) 等等(这里的b是代表禁闭,不是底夸克)。
三粲重子? 理论上可以想象由三个粲夸克组成的重子 (ccc),但这个的稳定性、观测难度会更高。
包含第三代夸克(t, b):
单底重子: 例如 Lambda_b (udb), Sigma_b (uub, udb, ubb), Xi_b (usb, dsb), Omega_b (sbb) 等等。
双底重子: 例如 Xicc_b (ucc), Xib (dbb), Xib' (sbb) 等等。(注意这里的命名规则有时会混淆,但核心是组成夸克)。
含顶夸克的重子: 顶夸克(t)非常不稳定,寿命极短,会在极短时间内衰变成其他粒子。因此,由顶夸克组成的重子(如 Tcc, Ttt 等)在实验中极其难以形成和探测,甚至可能在形成后瞬间就衰变了。

2. 按照夸克排列组合和自旋状态区分:
即使是相同的夸克组合(比如两个粲夸克和一个上夸克),它们的排列方式和总自旋状态不同,也可能构成不同的粒子。Xicc++ 是一个特定的状态,LHC(大型强子对撞机)的实验精确测量了它的质量和性质。随着实验技术的进步,以及对强相互作用理论(量子色动力学,QCD)更深入的理解,科学家们也在不断寻找和确认更多种类的重子。

所以,Xicc++ 只是一个已知的双粲重子。在理论上,我们可以构想出更多种由不同种类夸克组合而成的重子,特别是包含第二代和第三代夸克的重子。LHC 本身就在不断探索这些“新粒子”,Xicc++ 的发现是其中一个重要里程碑。 目前已经发现的重子种类已经很多了,包括各种单粲、单底的重子,而多夸克重子(包含两个或三个重夸克)的家族正在被逐步揭示。

接下来,一个更深刻的问题:为什么重子物质(也就是我们熟知的普通物质)在自然条件下观测不到?

这里你可能是在指 “反物质”,或者更广义地说,“非我们所熟悉夸克构成的物质”。重子物质,比如质子和中子构成的原子核,正是我们日常生活中接触到的 “普通物质”。普通物质由夸克组成,是“正”的。而宇宙中存在与之相对应的 “反物质”,比如反质子(由反上夸克和反下夸克组成)和反中子(由反下夸克组成),以及反电子(正电子)。

你的问题更像是问:为什么宇宙中似乎找不到大块的反物质区域,或者说,为什么我们观测到的宇宙绝大部分是由正物质组成的,而不是反物质?

这是一个非常、非常重要且未完全解决的宇宙学问题,被称为 “物质反物质不对称性” 或 “重子产生的不对称性”。

我们先来梳理一下为什么这是一个问题:

1. 大爆炸的对称性预测: 根据我们目前最成功的宇宙模型(标准宇宙模型),在大爆炸的极早期,能量极其高。理论预测,这些能量会产生等量的基本粒子和对应的反粒子。例如,光子(γ)会产生电子(e⁻)和正电子(e⁺)对,质子(p)和反质子(p̄)也应该以差不多相同的数量产生。

2. 湮灭过程: 如果正物质和反物质相遇,它们会发生湮灭,释放出巨大的能量(比如 γ 光子)。这是一个高效的过程。

3. 如果宇宙初始生成了等量的正反物质,那么它们在早期宇宙中必然会发生大规模的湮灭。 最终的结果应该是只有能量(光子)存在,而粒子和反粒子都消失了。但我们现在看到的宇宙是充满了物质的。

4. 我们看到的是“幸存者”: 为什么会有物质幸存下来?如果最初的物质和反物质是均等产生的,那么湮灭后应该是什么都不剩。现在宇宙中的物质,就好像是 “剩下的那一点点没被湮灭掉的物质”。

那么,为什么会有一点点物质“幸存”下来呢?这里就需要解释“物质反物质不对称性”。

为了解释这个现象,物理学家提出了 萨哈罗夫条件(Sakharov conditions)。在1967年,物理学家安德烈·萨哈罗夫提出了三个必要条件,在宇宙早期必须满足,才能导致物质比反物质多:

1. B 因子不守恒(Baryon number violation): “重子数”是指重子(如质子、中子)的数量。B=1 对于重子,B=1 对于反重子,B=0 对于介子等。如果 B 因子守恒,那么每次产生一个重子就必然产生一个反重子,导致总重子数不变。要产生物质比反物质多的净效应,必须存在一种过程,能够破坏重子数的守恒,使得总重子数(或总反重子数)发生变化。在标准模型中,在某些高能区域确实存在弱相互作用引起的重子数违背现象(虽然通常是与轻子数一同违背)。

2. C 因子不守恒和 CP 因子不守恒(C violation and CP violation):
C 因子(Charge Conjugation)不守恒: C 对称性是指粒子与其反粒子之间的对称性。如果 C 对称性守恒,那么粒子和反粒子在性质上(除了电荷等相反的量之外)应该是对称的。C 不守恒意味着粒子和反粒子之间的过程不是完全一样的。
CP 因子(ChargeParity)不守恒: CP 是指电荷共轭(C)和宇称变换(P)的组合。宇称变换 P 是空间坐标的翻转(就像照镜子一样)。CP 不守恒意味着一个过程对粒子和反粒子之间不是对称的。例如,粒子A衰变成B和C,而反粒子Ā以同样速率衰变成B̄和C̄。CP不守恒则意味着A衰变成B和C,而Ā可能以不同的速率衰变成B̄和C̄,或者衰变成不同的末态。

CP 不守恒是解释物质反物质不对称性的关键! 如果宇宙早期产生了某些过程,并且这些过程对物质和反物质不是完全对称的,那么就可能导致最终物质比反物质多一点点。在标准模型中,CP 不守恒确实存在于弱相互作用中,特别是夸克之间。实验也观测到了 K 介子和 B 介子的 CP 破坏。

3. 热力学失衡(Thermal disequilibrium): 如果宇宙早期处于热力学平衡状态,那么任何违反重子数守恒的过程(如第一个条件)都会被其逆过程抵消,导致净变化为零。例如,一个产生重子的过程和一个消耗重子的过程,在平衡时会以相同的速率发生。为了让物质比反物质多,必须存在一个过程速率远大于其逆过程速率,或者一个过程的发生率远高于其逆过程,这就要求宇宙处于“非平衡”状态。大爆炸的快速膨胀和冷却提供了一个天然的失衡环境。

总结一下为什么我们看不到大块的反物质区域:

如果最初有且仅有等量的正反物质,那么它们在宇宙大爆炸后不久就会大规模湮灭,最终只剩下光子。
我们之所以还能看到物质,是因为在某种极其微妙(而且可能非常非常早期、我们尚未完全理解)的过程中,物质比反物质多出了极小极小的比例(大约是十亿分之一)。 这微小的过剩,在巨大的湮灭潮中幸存下来,最终构成了我们今天看到的整个宇宙。
这意味着宇宙中不存在“大块的反物质区域”来与“大块的正物质区域”并存。 如果存在大块的反物质区域和正物质区域,它们相遇的边界会发生剧烈的湮灭,释放出我们能够探测到的高能射线。但我们并未在宇宙的大尺度结构中观测到这样的“湮灭边界”。

那么,是不是宇宙早期产生的不对称性导致了我们今天看到的全部是正物质呢?

这正是萨哈罗夫条件试图解释的。例如,有一种理论认为,在早期宇宙中,一些叫做 “重胶子球(glueballs)” 或 “重子产生子(baryogenesis)” 的过程可能在早期宇宙冷却过程中,由于夸克和胶子的相互作用(特别是CP破坏),导致了重子数的净产生。

还有其他一些可能性:

轻子重子不对称性: 有些理论认为,早期宇宙也存在轻子数(如电子、中微子)和反轻子数的失衡,并且这个失衡可能通过特定的过程(如“轻子重子转换”)转化为重子数的失衡。
反物质是否以某种我们未知的形式存在? 这是一个更具猜测性的想法。例如,是否可能存在由反夸克组成的“反原子”或“反星系”,只是它们与我们的物质宇宙没有直接接触,或者以某种我们探测不到的方式存在?但目前没有任何观测证据支持这一点,而且考虑到相遇时的湮灭效应,大块的反物质结构在宇宙中是很难“隐藏”的。

所以,当你问“为什么重子物质在自然条件下观测不到”的时候,如果你的意思是“为什么我们只看到正物质,而看不到反物质”,那么答案就是:

在宇宙大爆炸的早期,由于一些我们仍在探索的、涉及到夸克和胶子的相互作用中的CP破坏和重子数破坏的微妙过程,物质(正物质)相对于反物质产生了极其微小的过剩。在随后的物质反物质湮灭过程中,绝大多数的物质和反物质都相互湮灭成了能量,而这极微小的物质过剩,幸运地“幸存”了下来,构成了我们今天所见的整个宇宙。我们观测不到大块的反物质结构,是因为如果它们存在,它们与正物质相遇就会发生我们能够探测到的剧烈湮灭。

这个物质反物质不对称性问题,是现代物理学和宇宙学中最具挑战性和吸引力的问题之一,相关的研究仍在不断深入。LHC的实验,比如对Xicc++这类新型重子的探测和性质研究,虽然不直接解答这个宏观宇宙学问题,但它们能帮助我们更深入地理解夸克的性质和强相互作用,从而为构建更完整的宇宙早期演化模型提供关键线索。

网友意见

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所有的重子中只有质子才是稳定的,其它的重子(包括中子)在自由状态下都会迅速的衰变掉,而中子也只有在某些原子核中才会变得稳定。所以在自然状态下你别想看到除了质子以外的自由重子......

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