清華新聞網(wǎng)8月17日電 歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）上的底夸克（LHCb）實(shí)驗(yàn)近期在底介子三體衰變的正反奇異粲介子對(duì)（Ds+Ds-）中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新奇特強(qiáng)子態(tài)候選者，相應(yīng)證據(jù)表明其可能含有[c cbar s sbar]四夸克組分；同時(shí)，首次測(cè)量了底介子衰變到含一對(duì)奇異粲介子對(duì)的分支比。上述研究由清華大學(xué)工程物理系張黎明副教授及其博士后漆紅榮、博士生陳晨主導(dǎo)完成。
利用LHCb實(shí)驗(yàn)采集的海量數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)首次觀(guān)測(cè)到了底介子衰變到Ds+Ds-和一個(gè)奇異介子K+的三體衰變過(guò)程，并測(cè)量了其衰變分支比。同時(shí)，在Ds+Ds-系統(tǒng)的不變質(zhì)量譜上看到了一個(gè)閾值增強(qiáng)的共振結(jié)構(gòu)。分析得到此結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為3956±5±10 MeV，寬度為43±13±8 MeV，量子數(shù)JPC=0++，被命名為X（3960）。
圖1.LHCb發(fā)現(xiàn)的新奇特態(tài)粒子候選者X（3960）
通過(guò)強(qiáng)相互作用形成的復(fù)合粒子稱(chēng)為強(qiáng)子。最常見(jiàn)的是三個(gè)夸克組成的重子（如質(zhì)子和中子）和一對(duì)正反夸克組成的介子（如正反粲夸克形成的粲偶素）。此外，強(qiáng)相互作用允許更復(fù)雜的強(qiáng)子態(tài)的存在，如四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、夸克膠子混雜態(tài)等，統(tǒng)稱(chēng)為奇特強(qiáng)子態(tài)。目前已知的夸克包括上（u）、下（d）、粲（c）、奇異（s）、底（d）和頂（t）六種夸克，而膠子是在夸克間傳遞強(qiáng)相互作用。雖然描述強(qiáng)相互作用的理論已建立40多年，但人們對(duì)強(qiáng)相互作用的理解還不夠深入，比如無(wú)法準(zhǔn)確得知包含質(zhì)子在內(nèi)的任一強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又比如很難準(zhǔn)確地計(jì)算激發(fā)態(tài)粲偶素的質(zhì)量、寬度等參數(shù)。
圖2.X（3960）可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
此次發(fā)現(xiàn)的X（3960），如果將其解釋為粲偶素家族中的一員，那么它的質(zhì)量將比其自旋軌道耦合三重態(tài)的“大哥”Xc2（3930）和“二哥”Xc1（3872）的質(zhì)量均大，這是一件不可思議的事。其次，近來(lái)有學(xué)者把X（3960）和Xc0（3915）看作同一個(gè)粒子，如果其是常規(guī)粲偶素，根據(jù)2023版粒子數(shù)據(jù)表（Particle Data Group），此粒子到OZI（Okubo-Zweig-Iizuka）壓低的J/Ψω的分寬度竟然還比到OZI允許的D+D-和Ds+Ds-的分寬度還大，顯然是不合理的。比較可能的解釋是，它是夸克組分為[c cbar s sbar]的四夸克態(tài)，或者[c cbar s sbar]與常規(guī)粲偶素的混合，前者跟理論預(yù)言的最輕的組分夸克為[c cbar s sbar]的粒子吻合。此外，此粒子也可能是兩介子分子態(tài)、夸克膠子混雜態(tài)，或者上述任意兩者的混合等。對(duì)于諸如X（3960）等奇特強(qiáng)子性質(zhì)的研究，有助于深入理解強(qiáng)力和探索物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)。
LHCb是目前世界上能量最高的粒子加速器LHC上的大型實(shí)驗(yàn)裝置之一，致力于精確測(cè)量重味強(qiáng)子（即含粲夸克或底夸克的強(qiáng)子）的性質(zhì)，以期探索宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎、尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，理解強(qiáng)相互作用等。清華大學(xué)于2000年加入LHCb實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組，是合作組發(fā)起成員單位之一，在探測(cè)器電子學(xué)和物理研究方面均不斷作出重要貢獻(xiàn)。在LHCb探測(cè)器研制期間，工物系團(tuán)隊(duì)參與了外部徑跡探測(cè)器和觸發(fā)電子學(xué)的研制。而在剛完成的LHCb升級(jí)計(jì)劃中，工物系曾鳴教授和龔光華副研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)家自然科學(xué)基金重大國(guó)際合作項(xiàng)目支持下，為閃爍光纖徑跡探測(cè)器電子學(xué)的研制作出了重要貢獻(xiàn)。近年來(lái)，LHCb清華組在物理研究方面取得了一系列有國(guó)際影響力的研究成果。
相關(guān)成果于8月14日分別發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）和《物理評(píng)論D》（Physical Review D）上。發(fā)表的兩篇學(xué)術(shù)論文均被選為編輯推薦文章（Editors’Suggestion）并在期刊網(wǎng)頁(yè)高亮介紹（High lights）。
該研究由清華大學(xué)的研究人員主導(dǎo)，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和麻省理工學(xué)院等單位參與，以L(fǎng)HCb國(guó)際合作組的名義完成。按照高能物理學(xué)界慣例，論文由合作組全體成員依作者姓氏英文字母順序共同署名。相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助，以及清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和“雙一流”學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
《物理評(píng)論快報(bào)》在線(xiàn)發(fā)表鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.071901
《物理評(píng)論D》在線(xiàn)發(fā)表鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.034012
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
