五夸克態

**五夸克粒子**是一種次原子粒子，屬於奇異強子。五夸克粒子有五個夸克。更詳細地說，是四個夸克和一個反夸克（表示他的重子數為 1）。雖然物理學者預言五夸克粒子存在已很多年了，五夸克態顯然很不容易被發現。有些物理學者甚至提議，某種未知自然定律阻止五夸克粒子的出現。

2000 年代，曾經有幾個實驗報告發現五夸克態的存在，但對於這些實驗所獲得的數據做重新分析，再加上對於後來完成的實驗做分析，所得到的結論是，這些先前得到的結果都是統計效應，而不是真實的共振。2015 年 7 月 13 日，歐洲核子研究組織的 LHCb 實驗團隊報告，在底 Λ 粒子 （Λ0 
b）的衰變反應中，發現了五夸克態，但這結果尚未經過同行評議。2019 年 3 月 26 日，LHCb 宣布他們發現了新的五夸克態。2022 年 7 月 5 日，LHCb 又宣布他們發現了五夸克態 PΛ 
ψs(4338)0。

在粒子物理學實驗室之外，五夸克粒子也可以在超新星形成中子星的過程中自然製成。對於五夸克粒子的研究或許可以幫助洞悉這些恆星怎樣形成，也可以讓物理學者更加了解強相對作用。

## 概述

夸克是一種基礎粒子，它擁有質量、電荷、色荷性質，還擁有給出夸克種類（上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、頂夸克、底夸克）的風味性質。由於夸克禁閉效應，夸克從未被觀測到單獨存在。幾個夸克可以共同組成複合粒子，稱為強子。由一個夸克與一個反夸克共同組成的強子稱為介子。由三個夸克組成的強子稱為重子。物理學者知道很多關於這些普通強子的性質和行為。沒有任何理論規定禁止夸克組成奇異強子，例如，由兩個夸克與兩個反夸克組成的四夸克粒子，由四個夸克與一個反夸克組成的五夸克粒子。

五夸克粒子有很多不同種類，不同的夸克組合會組成不同的粒子。物理學者使用符號 qqqqq 來標記五夸克粒子，其中，q 與 q 分別標記夸克與反夸克。符號 u、d、s、 c、b、t 分別標記上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、頂夸克、底夸克；符號 u、d、s、c、b、t 分別標記對應的反夸克。例如，由兩個上夸克，一個下夸克，一個魅夸克，一個反魅夸克組成的五夸克粒子標記為 uudcc。

在五夸克粒子裏，夸克被強作用力束縛在一起，強作用力能夠促使所有色荷相互抵銷。更仔細說，在介子裏，夸克必須與反色荷的反夸克配對在一起，例如，藍色夸克與反藍色反夸克；在重子裏，三個夸克必須從三種色荷中各自選擇不同的色荷，例如，紅色、藍色與綠色。在五夸克粒子裏，色荷必須相互抵銷。唯一可行的組合是設定一個夸克為某顏色，另一個夸克為另一種顏色，另兩個夸克為第三種顏色，最後一個夸克為第三種顏色的反顏色。

物理學者尚不清楚五夸克粒子的束縛機制，可能是五個夸克緊緊地束縛在一起，也可能是一個重子與一個介子鬆鬆的束縛在一起。

## 歷史

### 理論預言

默里・蓋爾曼於 1964 年最早提議奇異強子存在。1979 年，丹尼爾・斯特勞曼給出模型描述由四個夸克與一個反夸克組成的強子。

1997 年，俄羅斯聖彼得堡科學院核物理學院的理論物理學者馬克沁・波利亞科夫、維克托・佩特羅夫和德米特里・帝雅克諾夫預言由兩個上夸克、兩個下夸克與一個奇夸克組成的五夸克粒子存在，並將這種粒子命名為 
Θ+ 
。它的質量約為 1530MeV、寬度約為 15MeV，比較特別的性質是它的奇異數為 1，做實驗可以很容易從奇異數辨識出這粒子的存在。

### 2000 年代中期

由於五夸克粒子必須擁有一個反夸克，假若反夸克的風味匹配任何其它夸克的風味，這夸克 - 反夸克對會相互抵銷，因此五夸克粒子會貌似它的三夸克重子，所以許多種類的五夸克粒子都很難在實驗裏辨識出來。為了避免這問題，早期五夸克粒子探索實驗會尋找夸克 - 反夸克對不相互抵銷的粒子。在 2000 年代中期，有幾個實驗聲稱，揭露了五夸克態。特別是 2003 年在日本春天八號同步輻射設施完成的「春天八號雷射電子光子實驗」（LEPS 實驗）顯示出質量為 1540MeV 的共振態，顯著性差異為 4.6 σ。這實驗得到的結果跟 1997 年波利亞科夫等的理論預言相符合。

在此之後，又有九個獨立實驗發佈報告表示，觀測到 
n 

 
K+ 
與 
p 

 
K0 
的狹窄峰值，質量在 1522 MeV/_c_2 與 1555 MeV/_c_2 之間，顯著性差異都超過 4 σ。雖然對於這些實驗結果的正確性仍舊存有質疑，在 2004 年《粒子物理學評論》裏，粒子數據小組給予 
Θ+ 
三顆星評估，最高是四顆星。另外還有兩個五夸克態被觀察到，它們是質量分別為 1860 MeV、3099 MeV 的 
Φ−− 
  (ddssu) 與 
Θ0 
c (uuddc)。它們後來都被更正為統計效應，而不是真實共振態。

在 LEPS 實驗之後，約有十個獨立實驗試圖尋找 
Θ+ 
，但都未獲成功。其中兩個實驗（一個在 BELLE，另一個在 CLAS）分別與先前聲稱觀測到 
Θ+ 
粒子的兩個實驗（DIANA 實驗與 SAPHIR 實驗）幾乎相同。2006 年《粒子物理學評論》總結，

> 曾經聲稱觀測到 
> Θ+ 
> 的每一個原本實驗，都尚未獲得高統計量確認。傑佛遜實驗室完成兩個高統計量重複實驗，它們明確地證實，原本兩個聲稱觀測到 
> Θ+ 
> 的實驗都不正確。另外，還有一些已完成的高統計量實驗，它們都沒有找到 
> Θ+ 
> 的蛛絲馬跡。關於另外兩個聲稱觀測到 
> Θ+ 
> 五夸克態的實驗，所有嘗試確認那些結果的實驗都獲得負結果。一般而言，五夸克粒子不存在；特別而言， 
> Θ+ 
> 不存在。這結論顯得很有說服力。
> 
> 

2008 年《粒子物理學評論》更進一步表示，

> 近期有兩個或三個實驗對於在標稱質量附近獲得薄弱的信號證據，但鑒於壓倒性的證據聲稱五夸克粒子不存在，將它們臚列出來是毫無意義的…… 整個故事──發現本身、緊跟著像漲潮般的論文、最終的退潮發現──在科學歷史上是一集相當古怪的連續劇。
> 
> 

儘管有那麼多顯目的零結果，LEPS 團隊於 2009 年仍舊表示，在質量為 1524±4 MeV 之處觀測到狹窄態存在，顯著性差異為 5.1 σ。針對這爭論，那時期有很多實驗如火如荼地進行著。

### 2015 年 LHCb 結果

2015 年 7 月 13 日，LHCb 實驗團隊在 Λ0 
b→J/ψK− 
p 衰變道辨識出五夸克粒子；在這衰變道裏，底 Λ 粒子 （Λ0 
b）衰變為一個 J/ψ 介子（J/ψ）、一個 K 介子 （K− 
）與一個質子（p）。實驗數據顯示，有時候，底 Λ 粒子不會通過 Λ\* 居間態衰變為一個 K 介子 （K− 
）與一個質子（p），而會間接地通過五夸克居間態 P+ 
c；兩個被發現的居間態 P+ 
c（4380MeV）與 P+ 
c（4450MeV）在統計學的顯著性差異分別為 9 σ 與 12 σ，總合起來為 15 σ ，足夠證實這發現。更多數據分析還排除了這是由普通粒子造成的效應的可能性。LHCb 實驗又觀測到兩個五夸克態都強烈地衰變為 J/ψp，因此可推論其價夸克擁有兩個上夸克、一個下夸克、一個魅夸克與一個反魅夸克；標記為 
u 
 
u 
 
d 
 
c 
 
c 
，它們是一種魅偶素 - 五夸克粒子。

LHCb 的主要任務是研究物質 - 反物質不對稱性，而不是探索研究五夸克粒子。歐洲核子研究組織發言人表示，「我們並沒有積極地尋找它，我們意外地找到了它。」

2019 年根據 2015-2018 年 LHCb 的數據觀察到新的五夸克粒子，新粒子為 P+ 
c（4312MeV），會衰減成一個質子和一個 J/ψ 介子（由一個粲夸克和反粲夸克構成）。並觀測到 2015 年發現的五夸克結構 P+ 
c（4450MeV）實際上是由兩個質量相近的共振態 P+ 
c（4440MeV）和 P+ 
c（4457MeV）疊加而成。最新觀察的統計顯著性達到了 7.3 σ，遠遠超過了 5 σ 這個閾值。這三個五夸克態的寬度都很窄，質量略低於 Σ+ 
cD0 
和 Σ+ 
cD\*0 
質量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態，它們為重子和介子分子態的存在提供了迄今為止最有力的實驗證據。

2022 年 7 月歐洲核子研究中心（CERN）LHCb 合作組宣布發現一種新的粒子 Pcs(4459)0，其夸克組分為 usdcc。

## 應用

五夸克粒子的發現讓物理學者能夠更細緻地研究強作用力，從而助益對於量子色動力學的了解。另外，當今理論意味著，當有些非常巨大恆星塌縮時，會製成五夸克粒子，對於五夸克的研究或許可以幫助人們了解中子星的物理。

## 參見

* 粒子列表
* 奇異強子
* 強子
* 夸克模型
* 四夸克態

## 註釋

## 參考文獻

## 延伸閱讀

* David Whitehouse. Behold the Pentaquark (BBC News). BBC News. 1 July 2003 [2010-01-08]. （原始內容存檔於 2008-12-05）.
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Θ+ 
  Pentaquark. Journal of Physics: Conference Series. 2005, **9**: 183. Bibcode:2005JPhCS...9..183H. arXiv:hep-ex/0412048 . doi:10.1088/1742-6596/9/1/035.
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