首次直接证实粒子物理学中的一种基本效应

在粒子对撞实验中，高速对撞的粒子在相互作用下会产生基本粒子夸克和胶子，它们被统称为部分子。这些粒子的演化受到量子色动力学（QCD）理论所描述的强力（已知四种基本力之一）所支配。

夸克和胶子随后在部分子簇射（parton shower）的过程中，能够进一步发射部分子，并最终形成可探测的强子。因此，研究部分子簇射的模式，是检验QCD的关键实验工具之一。

近日，大型强子对撞机（LHC）的ALICE合作组第一次直接观测到了一种被称为死角效应（dead-cone effect）的现象，这正是强力理论中的一项基本特征。

这项研究除了证实这一效应之外，还提供了一条直接的实验途径，揭示出一个单一的粲夸克在被限制在强子内部之前的质量。论文已于近日发表在《自然》杂志上。

  死角效应  

在对撞实验中，部分子在产生后会经历一连串的事件，也就是部分子簇射的过程。它们会以胶子的形式发射辐射，并从中损失能量。

这种辐射的模式取决于起始的部分子的质量。在部分子飞行路径的周围，会出现一片胶子发射被抑制的区域，也就是所谓的死角。根据理论预测，这个死角区域的大小（角度θ）取决于一个重夸克的质量（m）和能量（E）。

在部分子簇射的过程中，胶子会以一个较小的角度发射，夸克的能量随之降低，导致被抑制的胶子发射的死角较大。（图／CERN）

三十年前，QCD就预测了死角效应，研究人员也已经在粒子对撞实验中间接观测到了它。然而，想要从部分子簇射的辐射模式中直接观测到这种现象，仍然极具挑战性。最主要的原因在于，死角可能被发射的部分子直接变换的粒子所填充，并且，在整个簇射过程中，很难确定部分子的变化方向。

但在最新的研究中，ALICE合作组将最先进的迭代去簇分析技术应用在LHC质子对撞的大量样本中，通过对质子对撞的三年数据的分析，克服了这些困难。

简单来说，在实验中，最终在ALICE探测器中留下信号的是一些被称为喷注的粒子喷射，它们是部分子簇射的最终产物。这种分析技术则可以“让时光倒流”，揭示出更多细节。

研究人员通过寻找包括含粲夸克的粒子的喷注，可以确定由这种类型的夸克创造的喷注，并追溯夸克发射胶子的完整历史。比较不同粒子发射胶子的模式之间的差异，最终就可以确定粲夸克的辐射模式中的死角。

  粲夸克的质量  

此外，这一结果还直接揭示出了粲夸克的质量，因为根据理论预测，没有质量的粒子应该不会出现相应的死角。

夸克的质量是粒子物理学中一类最基础的物理量，但除了顶夸克之外，夸克的质量几乎无法在实验中直接获取和测量，因为夸克总是被限制在复合粒子的内部。

然而，这项研究直接观测到了部分子簇射的死角，这可能也为科学家提供了一种测量夸克质量的新方法。