帕頓淋浴中的魅力夸克（c）通過以膠子（g）的形式發(fā)射輻射而失去能量。淋浴在夸克周圍顯示一個被抑制輻射的死錐，其角度小于夸克質(zhì)量（m）和能量（E）的比率。在淋浴的每個階段，能量都會減少。圖片來源：歐洲核子研究中心

ALICE在大型強子對撞機（LHC）的合作首次直接觀測到死錐效應(yīng)——這是強力理論的基本特征，該理論將夸克和膠子結(jié)合成質(zhì)子、中子，并最終形成所有原子核。除了證實這種效應(yīng)之外，今天發(fā)表在《自然》雜志上的一篇論文中報道的觀察結(jié)果，為在單個魅力夸克被限制在強子內(nèi)部之前的質(zhì)量提供了直接的實驗途徑。

“直接觀察死錐體是非常具有挑戰(zhàn)性的，”ALICE發(fā)言人Luciano Musa說?！暗牵ㄟ^使用LHC質(zhì)子 – 質(zhì)子碰撞的三年數(shù)據(jù)和復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，我們終于能夠發(fā)現(xiàn)它。

夸克和膠子，統(tǒng)稱為帕頓子，是在粒子碰撞中產(chǎn)生的，例如在LHC發(fā)生的粒子碰撞。在它們被創(chuàng)造之后，帕頓經(jīng)歷了一系列稱為帕頓淋浴的事件，其中它們通過以膠子的形式發(fā)射輻射來失去能量，膠子也發(fā)射膠子。這種噴雨的輻射圖取決于發(fā)射膠子的帕頓的質(zhì)量，并在帕頓的飛行方向周圍顯示一個區(qū)域，其中膠子發(fā)射被抑制 – 死錐。

從三十年前的強力理論的第一原理預(yù)測，死錐已經(jīng)在粒子對撞機上間接觀察到。然而，直接從帕頓淋浴的輻射方向圖觀察它仍然具有挑戰(zhàn)性。造成這種情況的主要原因是，死錐可以填充發(fā)射的帕頓變換成的粒子，并且很難在整個淋浴過程中確定帕頓的變化方向。

隨著帕頓陣雨的進行，膠子以較小的角度發(fā)射，夸克的能量減少，導(dǎo)致更大的膠子發(fā)射死錐被抑制。圖片來源：歐洲核子研究中心

ALICE的合作通過將最先進的分析技術(shù)應(yīng)用于LHC上大量的質(zhì)子 – 質(zhì)子碰撞樣本來克服這些挑戰(zhàn)。這些技術(shù)可以將帕頓淋浴從其最終產(chǎn)品中卷回過去 – 由稱為射流的顆粒噴霧留在ALICE探測器中的信號。通過尋找包含含有魅力夸克的粒子的射流，研究人員能夠識別出由這種類型的夸克產(chǎn)生的射流，并追溯夸克的整個膠子排放歷史。將魅力夸克的膠子發(fā)射模式與膠子和幾乎無質(zhì)量的夸克的膠子發(fā)射模式進行比較，然后揭示了魅力夸克模式中的死錐。

結(jié)果還直接暴露了魅力夸克的質(zhì)量，因為理論預(yù)測無質(zhì)量粒子沒有相應(yīng)的死錐。

“夸克質(zhì)量是粒子物理學(xué)中的基本量，但它們不能在實驗中直接訪問和測量，因為除了頂夸克之外，夸克都被限制在復(fù)合粒子內(nèi)，”ALICE物理協(xié)調(diào)員Andrea Dainese解釋說?！拔覀冎苯佑^察帕頓淋浴死錐的成功技術(shù)可能提供了一種測量夸克質(zhì)量的方法。