清華新聞網(wǎng)3月7日電 3月3日，歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research, CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider, LHC）上底夸克探測(cè)器（Large Hadron Collider beauty, LHCb）實(shí)驗(yàn)組宣布，觀(guān)測(cè)到兩個(gè)含有全新夸克組分（cc[bar]us[bar]）的四夸克態(tài)Zcs(4000)和Zcs(4220)，以及兩個(gè)新的含有cc[bar]ss[bar]的四夸克態(tài)X(4685)和X(4630)。北京大學(xué)物理學(xué)院、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高原寧教授，清華大學(xué)工程物理系張黎明副教授和楊振偉副教授等組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)對(duì)此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)作出突出貢獻(xiàn)。與此同時(shí)，歐洲核子研究中心還宣布：最近十年，在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上新發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子已達(dá)59個(gè)，平均每?jī)蓚€(gè)月就有一個(gè)新強(qiáng)子被探測(cè)到。
1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）提出夸克模型，認(rèn)為質(zhì)子和中子并非基本粒子，而是由三個(gè)夸克組成的，這類(lèi)粒子稱(chēng)為重子，另一類(lèi)粒子則由一個(gè)正夸克和一個(gè)反夸克構(gòu)成，稱(chēng)為介子；重子和介子統(tǒng)稱(chēng)強(qiáng)子。除了普通的重子和介子之外，蓋爾曼和茨威格還提出可能存在奇特類(lèi)型的粒子，如在介子或重子中加入一對(duì)正反夸克，形成四夸克介子或五夸克重子。經(jīng)過(guò)幾十年不懈探索，這些粒子的存在性終究得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)?？淇四Ｐ偷慕⑹谷祟?lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)一次次達(dá)到新高度；目前已知的夸克包括上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c）、奇異夸克（s）、底夸克（d）和頂夸克（t）六種。
藝術(shù)家對(duì)Zcs四夸克態(tài)的印象（圖片來(lái)源：CERN）
在底介子到粲夸克偶素、phi介子和帶電K介子的衰變過(guò)程中，LHCb研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)粲夸克偶素與帶電K介子組合的不變質(zhì)量譜中存在明顯的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的分析表明，該系統(tǒng)存在兩個(gè)共振態(tài)結(jié)構(gòu)，分別被命名為Zcs(4000)和Zcs(4220)；這兩個(gè)共振態(tài)通過(guò)強(qiáng)相互作用衰變到粲夸克偶素和帶電K介子，故至少由cc[bar]us[bar]四個(gè)夸克構(gòu)成。具有這一組分特性的四夸克態(tài)在實(shí)驗(yàn)上十分稀有；此前，北京譜儀（BESIII）實(shí)驗(yàn)于2020年11月宣布發(fā)現(xiàn)可能含有奇異夸克的類(lèi)粲偶素四夸克態(tài)Zcs(3985)。LHCb研究團(tuán)隊(duì)還在粲夸克偶素和phi介子組合的不變質(zhì)量譜中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的四夸克態(tài)X(4685)和X(4630)的存在。
張黎明副教授和北京大學(xué)物理學(xué)院2016級(jí)博士研究生許澤華是這次發(fā)現(xiàn)的主要完成人。許澤華等精確測(cè)量了這些新四夸克態(tài)的質(zhì)量、寬度等參數(shù)，對(duì)于理解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有重要意義。張黎明指出，BESIII實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到的Zcs共振態(tài)具有寬度窄、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，與通常討論的由相互作用衰變的介子態(tài)明顯不同，因而更像是兩個(gè)普通介子通過(guò)類(lèi)似原子核間核力形式結(jié)合在一起，構(gòu)成類(lèi)分子態(tài)結(jié)構(gòu)；而這次觀(guān)測(cè)到的Zcs共振態(tài)明顯較寬，與緊致結(jié)合的四夸克態(tài)更為相符。
LHCb是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)合作組由來(lái)自18個(gè)國(guó)家和地區(qū)89個(gè)機(jī)構(gòu)的1400余名科研人員組成。2011—2018年，LHCb實(shí)驗(yàn)獲取了大量質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，并以此為基礎(chǔ)發(fā)表了550余篇學(xué)術(shù)論文。LHCb中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立于2000年，成員來(lái)自北京大學(xué)、清華大學(xué)等八所高?；蚩蒲性核?，近年來(lái)取得一系列具有國(guó)際影響力的研究成果?！伴L(zhǎng)期參加這樣的國(guó)際大科學(xué)合作，在世界規(guī)模最大、能量最高的科學(xué)裝置上從事前沿課題研究，與世界頂尖水平的科學(xué)家和多元文化背景的同行攜手探究物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和相互作用，對(duì)于我們，尤其是青年教師和學(xué)生來(lái)說(shuō)，不僅有利于自身研究能力的提升，更有助于不斷促進(jìn)人類(lèi)揭示自然界的奧秘。”LHCb中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人高原寧教授高度評(píng)價(jià)國(guó)際合作研究對(duì)學(xué)科發(fā)展和人才培養(yǎng)的重要意義。
上述研究是由清華大學(xué)和北京大學(xué)的研究人員主導(dǎo)，LHCb國(guó)際合作組完成并發(fā)布。相關(guān)論文預(yù)印本已發(fā)布并投稿至《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。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、北京大學(xué)“引導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)”的經(jīng)費(fèi)支持。
論文預(yù)印本鏈接：https://arxiv.org/abs/2103.01803
LHCb實(shí)驗(yàn)官方報(bào)道：http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
歐洲核子研究中心官方報(bào)道：https://cerncourier.com/a/lhcb-observes-four-new-tetraquarks/
供稿：工物系
編輯：李華山 李若夢(mèng)
審核：呂婷 曲田
