在大型强子对撞机（LHC）重离子碰撞产生的夸克-胶子等离子体中发现了一个由四个夸克组成的神秘“X”粒子，该粒子于2003年首次出现。该观察是由研究组织紧凑型子螺线管（CMS）实验的物理学家进行的，如果得到证实，可以帮助研究人员了解外来粒子的结构。对粒子的进一步研究可以帮助解释由夸克-胶子等离子体形成的熟悉强子，如质子和中子，据信存在于早期宇宙中。
异国情调的X粒子——因其3872 MeV质量而正式名称为X（3872）——首次被日本的Belle实验发现。随后，它在电子-正电子对撞机和强子对撞机上进行了其他实验，但其性质尚未得到充分理解。它可以是一个紧密结合的四夸克（由四个夸克组成的粒子），也可以是一个由两个介子（每个介子包含两个夸克）组成的更松散的“分子”状态。
其他人认为这可能更奇怪。夏威夷大学的粒子物理学家Tom Browder说：“一个常见的假设是，X（3872）可能是传统魅力-反法对和四夸克或分子的叠加。”他是Belle合作的一部分，现在致力于其继任者Belle II。
对强证化的洞察力
研究夸克-胶子等离子体中的X粒子的产生有助于解决这一争论。这是因为预测夸克-胶子等离子体内不同的内部结构有不同的衰减率。研究这个系统的另一个原因是，宇宙中的正常物质（质子和中子）被认为在大爆炸后仅几秒钟从夸克-胶子等离子体中凝结——这个过程被称为强子化。研究X（3872）等外来粒子衰变为正常粒子可以为这个过程提供有价值的见解。
问题在于，即使在LHC等强大的对撞机中，当质子或电子等粒子碰撞时，也很难将它们加速到足够的能量来产生夸克-胶子等离子体。然而，还有另一种选择：“虽然夸克-胶子等离子体预计不会在质子-质子碰撞中产生......这是LHC能量重离子碰撞中的普遍现象，”麻省理工学院的Yen-Jie Lee和Jing Wang写道。
德克萨斯农工大学的核理论家拉尔夫拉普（Ralf Rapp）没有参与这项研究，他解释了这种方法的潜力：“我们让这些重离子碰撞，它形成了这个夸克-胶子等离子体，它存在一段时间，它膨胀并转化为强子物质，强子物质进一步扩张，”他说。“这个火球在量子色动力学时间尺度上的寿命相对较长，如果实验家可以在两倍内确定[X粒子]的产生，那么我们可以了解它们的内部结构。”
嘈杂的背景
不幸的是，重离子的大小带来了新的挑战。虽然它们的质量更容易加速它们达到高能量，但它们的内部复杂性意味着它们碰撞会产生许多不同的最终状态。因此，试图观察这个背景噪声海洋中X粒子的衰变是一项艰巨的任务。
为此，王、李和CMS协作的同事转向了机器学习算法。他们使用计算机模拟X粒子衰变和传统的衰变路径，该路径产生具有不同能量和动量的相同粒子。然后，他们教该算法识别CMS中产生的信号在每种情况下之间的差异。最后，他们设置了算法，梳理LHC 2018年130亿铅离子碰撞的数据集，以搜索X粒子衰变。
研究人员报告了大约100X粒子衰变的检测，这与上述4.2的统计意义相对应。此外——数据显示，夸克-胶子等离子体中的X粒子产量可能会提高，尽管这里的结果在统计学上并不显著。
运行3个数据
Wang和Lee写道：“目前的精度仍然不足以得出结论X（3872）粒子的性质。”“今年年底，LHC将开始运行3，然后我们将收集更多数据。此外，我们将测量质子-铅碰撞等其他碰撞系统中的X（3872）粒子。”
Rapp说：“这是一个开创性的[测量]，实验不确定性仍然很大，出于几个原因，我们无法在这一点上得出强有力的结论，但他们可以在重离子碰撞中测量[X(3872)]状态这一事实本身就是一个里程碑。”
Browder补充说：“这很有趣......他们现在不得不放下旗帜来检测夸克胶子等离子体中的X（3872），因为如果他们下周没有，也许LHCb、ATLAS或ALICE会这样做。尽管统计数据非常薄弱——它甚至不符合证据的条件——但我认为对社区来说，这种暗示它得到了加强，也许增加了10倍，这非常有趣。”
这项研究在《物理评论信》中进行了描述。
