科学家发现了宇宙诞生之初的短暂粒子

当原子和亚原子粒子在欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 的磁旋涡内旋转并相互碰撞时，监测它们的碰撞和它们产生的高能碎片的探测器会将它们所看到的东西转化为数据——大量的数据。

这些数据中绝大多数都是无用的数据，CERN 会自动过滤掉。但 CERN 估计，LHC 每年运行会产生 90PB 的保存数据，足以填满 90,000 个典型的 1TB 硬盘。CERN 以 20 世纪 60 年代的太空歌剧风格，将大部分数据存储在法国和瑞士边境附近一间光鲜亮丽的房间里的巨型磁带库中。这些数据太多了，任何人都无法轻易筛选。

也许并不奇怪，隐藏的宝石就埋藏在这些存储库深处，等待被发现。粒子物理学家发现了这样一颗宝石：一个有着奇怪名字的奇怪粒子，X(3872)。如果他们是对的，那么它可能让我们回顾最早的时间闪现——宇宙在大爆炸后的第一个百万分之一秒的样子。他们于 1 月 19 日在《物理评论快报》上发表了他们的研究结果。

他们只是触及了这种粒子的表面。“不同研究小组的理论预测并不一致，”麻省理工学院粒子物理学家、研究人员之一李彦杰 (Yen-Jie Lee) 说。

X(3872) 听起来像是一种神秘生物的名字，之前人们确实曾短暂目击过它。第一次目击发生在 2003 年，当时科学家在位于东京北部筑波的粒子加速器 Belle 实验中，在电子碰撞时瞥见了 X(3872)。不幸的是，X(3872) 衰变并消失得太快，科学家无法了解太多信息。

[相关：物理学家接近希格斯玻色子的极短寿命]

相反，科学家们认为他们可以在一种叫做夸克胶子等离子体的东西中找到 X(3872)。原子核包含质子和中子团块，但这些微小粒子实际上是由更小的粒子夸克构成的。为了形成更大的粒子，夸克被胶子结合在一起，胶子是更小的粒子，充当小核力的媒介。

在极高的温度（数万亿度）下，质子、中子和其他类似粒子会分裂并溶解成高能的夸克和胶子浆。这就是夸克胶子等离子体。

直到 21 世纪，物理学家才能够创造出这种粒子。一种已被证明有效的方法是重离子碰撞：以极高的速度将原子核撞击在一起。幸运的是，大型强子对撞机的实验一直在将重铅原子撞击在一起，在夸克胶子等离子体中留下数据痕迹，供研究人员梳理。

但事情没那么简单。“之前没人尝试在重离子碰撞中探测X(3872)，因为这是一项非常困难的任务，”李说。

LHC 通常碰撞较小的粒子，如质子，但较大的粒子，如原子核，会留下更多的碎片。“在质子-质子碰撞中，一次碰撞大约会产生几十个粒子，而在重离子碰撞中，每次碰撞通常会产生几千个甚至一万个粒子，”麻省理工学院博士后、研究人员之一王静说。

在 LHC 数据丛林中迷失的所有这些粒子中寻找 X(3872) 就像在草地上寻找一根针。王和她的同事们设计了一种依赖机器学习的方法：他们训练了一种算法来寻找 X(3872) 衰变成其他粒子时的特征，也就是它的指纹。经过一些微调后，该算法找到了一个质量不低于 X(3872) 一百倍的粒子。

研究结果向我们揭示了历史上最早的产物。夸克胶子等离子体在宇宙诞生后的最初百万分之一秒内充满了宇宙，那时我们所知的物质——分子、原子，甚至质子或中子——尚未形成。

李说，未来可以利用等离子体中的夸克和胶子来分解粒子，看看里面有什么。

一些物理学家认为 X(3872) 可能是一种有四个夸克的粒子：四夸克。我们熟悉的亚原子粒子（典型的质子和中子）由三个夸克组成；四夸克粒子很奇怪，通常需要高能量才能保持在一起。在过去十年中，物理学家在他们的粒子加速器中看到了其他四夸克的例子。

另一种可能性是，X(3872) 实际上是由介子构成的。介子是另一种由两个粒子组成的亚原子粒子：一个夸克和一个反夸克，反夸克是夸克的反物质替身。当高能宇宙射线与典型物质碰撞时，介子有时会在地球上短暂出现。但从未有人见过由多个介子组成的较大粒子。

李说，这令人兴奋，因为如果 X(3872) 是由介子产生的，那么这表明宇宙中充满了这种“奇异”的粒子。

但要了解真相，他们需要等待更多数据。LHC 的第二次长期维护和升级期（恰如其分地称为“长期停机 2”）目前已进入三年，由于新冠疫情，其重启日期一再推迟。（最早可能在下个月。）此后，将会有更多的碰撞、更多的夸克胶子等离子体和更多的数据需要筛选。

李说：“利用大量数据来跟进这项研究将会非常令人兴奋。”