這些發現于法國馬賽舉行的歐洲物理學會高能物理會議上公布。

歐洲核子研究中心（CERN）的科學家們在其全球最大的粒子加速器內觀察到一個意想不到的現象，這表明宇宙中最重且壽命最短的粒子可能并非如先前所認為的那樣是“孤獨”的。

頂夸克行為中這一未曾預料到的特征表明，這些基本粒子會形成一種轉瞬即逝的結合體。CERN的大型強子對撞機（LHC）上的緊湊μ子線圈（CMS）實驗此前已觀測到此現象。

據報道，其姐妹實驗ATLAS已確認了這一發現，并于7月7日在法國馬賽舉行的歐洲物理學會高能物理會議上公布。

這一發現意味著，頂夸克（也稱為真夸克） —— 所有基本粒子中質量最大的一種 —— 可以與其反物質對應物（反頂夸克）短暫配對，產生一種稱為“頂偶素”（toponium）的準束縛態。

為了更好地理解這種難以捉摸的相互作用本質，物理學家們現在將轉向對強核力（稱為量子色動力學，QCD）進行復雜的理論計算。

量子結合違背粒子預期

盡管在LHC的高能質子對撞中常規會產生頂夸克，但它們極不穩定，在不到萬億分之一秒的萬億分之一時間內就會衰變，因此獲得了“孤獨粒子”的名聲。

這種極短的壽命長期以來使得它們似乎不可能像較輕的夸克那樣相互作用并形成質子或介子等粒子。

然而，去年，CMS的研究人員在分析2016年至2018年產生的大量頂夸克-反頂夸克對數據（旨在尋找新型希格斯玻色子）時，發現了一個出乎意料的頂夸克-反頂夸克對過剩信號。這種過剩信號通常被視為存在未發現粒子的確鑿證據。

這一過剩恰好出現在產生這樣一對頂夸克所需的最低能量處 —— 一個準束縛態更有可能形成的閾值。

這促使研究團隊考慮另一種假說：頂夸克和反頂夸克之間存在著一種轉瞬即逝的結合。長期以來，人們認為這種結合太過難以捉摸而無法在LHC上探測到。ATLAS實驗已確認其數據中存在相同的效應，從而排除了更簡單的解釋，并與CMS的發現高度吻合。

事實證明，頂夸克-反頂夸克對可以存留足夠長的時間，在強核力的信使 —— 膠子 —— 的媒介作用下，短暫結合成頂偶素態。

形成罕見結合

CMS的科學家們測得頂夸克-反頂夸克對過剩的產生率為8.8皮靶恩（picobarns），不確定性為1.3皮靶恩，這超過了粒子物理學中宣稱一項發現所需的五西格瑪（5-sigma）置信度閾值。

“觀測到一個曾被認為過于困難而無法探測到的非相對論性QCD效應，是LHC實驗項目的巨大成功，”CMS發言人高蒂爾·哈默爾·德·蒙謝諾（Gautier Hamel de Monchenault）表示，并補充說團隊期待與理論學家緊密合作，以更好地理解標準模型的這一有趣方面。

ATLAS使用其在2015年至2018年收集的完整Run-2數據集證實了這一發現，報告了幾乎相同的截面值：9.0±1.3皮靶恩，并以7.7西格瑪（7.7-sigma）的顯著性排除了非頂偶素模型。然而，精確定位這一意外現象的原因仍然充滿挑戰。

一種可能性是存在一種新粒子，其質量接近頂夸克質量的兩倍，在膠子碰撞中形成并衰變成頂夸克-反頂夸克對。要確認這一點，需要通過尖端的QCD計算對夸克和膠子行為進行精確建模。

長期以來，人們認為在LHC上測量這種微妙效應是不可能的，因為接近閾值的事件非常罕見且難以探測。“然而，得益于LHC Run 2期間記錄的豐富質子-質子數據以及分析技術的進步，這一長期持有的假設現已被推翻，”ATLAS發言人斯特凡·維洛克（Stéphane Willocq）在一份新聞稿中表示。

如果頂偶素被證實存在，它將成為粒子物理學的一個重要里程碑，與粲偶素（charmonium）和底偶素（bottomonium）一起，成為一系列短暫存在的夸克-反夸克束縛態中的最新成員。隨著LHC Run 3的進行，科學家們正準備就強核力獲得更多洞見。

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