新的粒子发现奇子

　　科学家通过比较 LHC 和 Tevatron 记录的数据发现了一种新粒子。2018 年，物理学家卡洛斯·阿维拉 (Carlos Avila) 收到了一位老同事的激动人心的请求。
　　＂这是每个科学家都想接到的那种电话，＂哥伦比亚安第斯大学教授阿维拉说。
　　位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心 (CERN) 的 TOTEM 实验最近宣布了一种难以捉摸的准粒子的证据，该准粒子一直是物理学家对质子理解的缺失环节。但根据物理学家 Christophe Royon 的说法，＂仅有 TOTEM 数据是不够的。＂ 为了获得完整的信息，堪萨斯大学的物理学家 Royon 想要重新审视 Tevatron 的 DZero 实验数据，Tevatron 是一种粒子加速器，于 1987 年至 2011 年间在美国能源部费米国家加速器实验室运行。
　　＂令人兴奋的是，我们在 2012 年发表的这些旧测量结果仍然非常重要，并且仍然可以在这项正在进行的研究中发挥作用，＂阿维拉说。
　　用来自不同世代的两个实验进行联合分析并不容易。它需要重写已有数十年历史的软件并发明一种新方法来比较不同类型的数据。最后，合作导致了一种新粒子的发现：奇子。
　　上一代加速器
　　Tevatron 及其两个实验——DZero 和 CDF——于 1995 年因发现顶夸克而声名鹊起，这是已知最重的基本粒子。
　　＂这真的是一个高点，＂DZero 联合​发言人保罗格兰尼斯说。＂每个人都在空中行走。＂
　　在发现顶夸克时，欧洲核子研究中心正在建造一个新的粒子加速器，即大型强子对撞机，旨在达到比 Tevatron 高一个数量级的能量。顾名思义，LHC 会碰撞一种称为强子的亚原子粒子，通常是质子。Tevatron 也使用质子，但将它们与它们的反物质等价物反质子相撞。
　　大型强子对撞机于 2010 年 3 月开始碰撞质子。一年半后，费米实验室的操作员按下了一个红色的大开关，虔诚地结束了 Tevatron 的操作。在接下来的几年里，格兰尼斯看着 DZero 合作从数百名科学家缩减到少数活跃的研究人员。
　　＂人们继续前进，＂格兰尼斯说。＂对实验细节的记忆越来越少。＂
　　Avila 和 Royon 是从 Tevatron 的 DZero 过渡到 LHC 实验的物理学家之一。在告别之前，阿维拉撰写了最后一篇论文，将 DZero 的结果与 LHC 的 TOTEM 实验的第一批数据进行了比较。尽管两个加速器的能量不同，但许多理论家预计 DZero 和 TOTEM 的结果看起来相似。但他们没有。
　　＂DZero 论文说——尽管有所有可能的解释——它们与 LHC 上看到的模式不同，＂TOTEM 发言人 Simone Giani 说。＂那篇论文是激发我们看到合作可能性的火花。＂
　　芝加哥 Sandbox Studio 与 Steve Shanabruch 合作的插图 当质子不碰撞时
　　DZero 和 TOTEM 都在研究一种称为弹性散射的相互作用的模式，其中快速移动的强子相遇并交换粒子而不会分裂。Grannis 将其比作两名冰球运动员传球。
　　＂如果 Sam 将一个大冰球滑向 Flo，那么当他扔球时，Sam 会后退，而当她接住时，Flo 会后退，＂他说。
　　像曲棍球运动员一样，强子在通过＂冰球＂后偏离了轨道。DZero 和 TOTEM 在距离交互点几百米处都有专门的探测器来捕获偏转的＂Sams＂和＂Flos＂。通过测量它们的动量和它们的轨迹改变了多少，物理学家可以推断出在它们之间经过的冰球的特性。
　　胶子＂点菜＂
　　在 DZero 和 TOTEM 研究的弹性散射中，这些亚原子圆盘几乎完全是胶子：生活在强子内部的承载力的亚原子粒子。由于量子力学守恒定律，交换的胶子必须始终与其他胶子聚集在一起。科学家们通过研究这些胶子-团块交换来了解物质的结构。
　　＂每次我们打开一个新的加速器，我们都希望达到足够高的能量来观察质子的内部运作，＂贾尼说。＂这种野心纯粹是提炼胶子的影响，而不是夸克的影响。＂
　　散射数据已经表明，胶子可以以偶数数量聚集并在经过的强子之间移动。但是科学家们不确定这个相同的原理是否适用于由奇数个胶子组成的团块。理论家们在 50 年前就预言了这些奇数团块的存在，他们称之为奇数。但从未通过实验观察到奇子。
　　芝加哥 Sandbox Studio 与 Steve Shanabruch 合作的插图 一个新兴的谜题
　　当物理学家建造新的旗舰加速器时，他们几乎总是在能量上实现重大飞跃。但他们也做出了其他改变，比如在对撞机中使用什么样的粒子。因此，比较来自不同代加速器(例如 Tevatron 和 LHC)的散射数据一直很困难。
　　＂如果散射差异是因为质子和反质子之间的内在差异，或者因为加速器的能量每次都不同，那么就不可能解开，＂贾尼说。
　　但是物理学家意识到 Tevatron 和 LHC 之间的这些差异可能是一种祝福而不是一种诅咒。事实上，他们认为它们对于发现奇怪的东西可能是必不可少的。
　　如果奇子不存在并且所有胶子＂圆盘＂都包含偶数个胶子，那么碰撞强子的物质或反物质性质将不重要。但是这些强子＂Sams＂和＂Flos＂的身份(特别是，Sam 和 Flo 是否都是由物质构成的，或者其中之一是否由反物质构成)应该会影响它们交换奇子的难易程度。
　　＂观察奇子最简洁的方法是寻找质子-质子和质子-反质子相互作用之间的差异，＂罗永说。＂关于质子-反质子相互作用的最近唯一可用数据是什么?这是 Tevatron。＂
　　来自过去的爆炸
　　TOTEM 与 DZero 合作的计划于 2018 年在欧洲核子研究中心的 1 号餐厅通过喝酒而得到巩固。
　　＂当我们在一张纸上粗略比较 [Tevatron 和 LHC 结果之间] 时，我们已经看到了一些差异，＂Royon 说。＂这是起点。＂
　　几个月后，阿维拉远程登录他的旧费米实验室账户，并试图访问他和他的同事多年前分析过的大约 20 GB 的 Tevatron 数据。
　　＂我们第一次尝试查看数据时，我们 10 年前使用的代码都不起作用，＂阿维拉说。＂该软件已经过时了。我们必须恢复所有软件并将其与更新版本放在一起。＂
　　另一个重大挑战是将 Tevatron 数据与 LHC 数据进行比较，并对两个加速器的不同能量进行补偿。＂那是棘手的部分，＂格兰尼斯说。
　　DZero 和 TOTEM 研究人员定期在 Zoom 上会面，以检查他们的进展并讨论如何比较相同能量状态下的数据的想法。
　　＂DZero 人员专注于从 DZero 数据中提取尽可能好的信息，TOTEM 人员为 TOTEM 做同样的事情，＂Royon 说。＂我的工作是统一这两个社区。＂
　　如果奇子不存在，那么在调整 Tevatron 和 LHC 之间的能量差异后，DZero 和 TOTEM 应该在他们的数据中看到相同的散射模式。但无论他们如何处理数据，散射模式仍然不同。
　　＂我们做了很多交叉检查，＂Royon 说。＂花了一年时间来确保我们是正确的。＂
　　质子-质子和质子-反质子数据之间的差异表明，这些强子正在通过一种新的亚原子圆盘。当与 2018 年 TOTEM 分析相结合时，他们具有足够高的统计显着性来宣称一项发现：他们终于找到了奇子。
　　一个国际科学家团队致力于这项研究。美国的捐款由美国能源部和国家科学基金会资助。＂这绝对是来自世界各地的数百人辛勤工作的结果，＂罗永说。
　　对于 Avila 来说，这一发现只是与他的 DZero 老同事合作进行这个新项目的众多好处之一。＂你在做研究的同时建立了牢固的友谊，＂他说。＂即使你没有保持密切联系，你也了解这些人，并且知道与他们一起工作真的很令人兴奋。＂
　　阿维拉还表示，这一发现显示了保留旧实验遗产的价值。
　　＂我们不应该忘记这些旧数据，＂阿维拉说。＂它仍然可以带来关于自然行为的新细节。不管过去多少年，它都有很好的科学价值。＂