清華新聞網(wǎng)7月11日電 7月9日，在第41屆國(guó)際高能物理大會(huì)（ICHEP2022）上，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)上的CMS合作組報(bào)告了一個(gè)可能由四個(gè)粲夸克組成的奇特粒子家族的發(fā)現(xiàn)。由于這些粒子內(nèi)部由同一重味夸克組成，物理圖像相對(duì)簡(jiǎn)單而利于理解，為我們提供了一個(gè)新的窗口研究強(qiáng)相互作用。清華大學(xué)和南京師范大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的“清華-南師”CMS組在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了原創(chuàng)和主導(dǎo)作用。這是中國(guó)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)首次在LHC上觀(guān)測(cè)到全粲四夸克粒子，也是中國(guó)首次在CMS實(shí)驗(yàn)上主導(dǎo)新粒子的發(fā)現(xiàn)。中國(guó)CMS組的易凱教授代表CMS合作組報(bào)告了這一結(jié)果。
J/ψ-J/ψ質(zhì)量譜，三個(gè)質(zhì)量峰從左至右依次為X(6600),X(6900),X(7300)
基于2016至2018年采集的所有“質(zhì)子-質(zhì)子”對(duì)撞數(shù)據(jù)，CMS合作組在兩個(gè)粲夸克偶素（J/ψ）到四個(gè)繆子的衰變中，觀(guān)測(cè)到了全粲四夸克粒子家族（一組由同味重夸克組成的奇特強(qiáng)子）。該家族中的三個(gè)共振峰依據(jù)質(zhì)量被命名為X(6600)、X(6900)和X(7300)，其中X(6600)和X(6900)的顯著度均超過(guò)5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，X(7300)的顯著度也超過(guò)了3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。X(6600)和X(7300)粒子均是世界上首次被觀(guān)測(cè)到；X(6900)粒子存在的證據(jù)已在兩年前被LHCb實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)到，CMS的結(jié)果確認(rèn)了X(6900)的存在。該研究成果將以“在13TeV質(zhì)子質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生的J/ψJ/ψ質(zhì)量譜上觀(guān)測(cè)到的新結(jié)構(gòu)”（Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV）為題于近期投稿。
2020年6月，在由清華大學(xué)、南京師范大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)主辦的“低質(zhì)量多輕子末態(tài)研討會(huì)”上，來(lái)自國(guó)內(nèi)各科研院所和高校等兄弟單位的粒子物理學(xué)家對(duì)全粲四夸克態(tài)進(jìn)行了深入探討，中國(guó)理論粒子學(xué)家對(duì)全粲四夸克態(tài)的計(jì)算和性質(zhì)研究已經(jīng)有了非常豐富的結(jié)果，為這一家族的存在提供了有利的理論依據(jù)，北京大學(xué)理論粒子物理學(xué)家趙光達(dá)院士在會(huì)上作了總結(jié)性發(fā)言。趙光達(dá)與全粲四夸克態(tài)家族有著很深的“淵源”。早在上世紀(jì)80年代，趙光達(dá)基于一種夸克-膠子模型（兩個(gè)粲夸克和兩個(gè)反粲夸克的組合形成的一種可能的結(jié)構(gòu)）在世界上首次對(duì)全粲四夸克態(tài)家族進(jìn)行了理論計(jì)算，預(yù)言了該家族的存在。 對(duì)于CMS實(shí)驗(yàn)的本次研究成果，趙光達(dá)院士評(píng)論道：“全粲四夸克態(tài)家族的發(fā)現(xiàn)對(duì)我們理解強(qiáng)相互作用有著十分重要的意義。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于沒(méi)有輕夸克組分，不太會(huì)形成‘常見(jiàn)’的通過(guò)交換輕介子而形成的分子態(tài)結(jié)構(gòu)，從而給我們提供一個(gè)更為簡(jiǎn)單的、易于理解的物理圖像。我十分高興中國(guó)的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家們?cè)谶@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中起到了主導(dǎo)作用，希望在以后的工作中再接再厲。”
CMS合作組由50多個(gè)國(guó)家、約240個(gè)單位的4000多名成員組成，其中，中國(guó)組成員來(lái)自中科院高能所、北京大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、中山大學(xué)、浙江大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、南京師范大學(xué)等多個(gè)單位。清華大學(xué)2017年成為合作組的正式成員單位，南京師范大學(xué)2020年依托清華大學(xué)進(jìn)入CMS合作組，兩校聯(lián)合組成“清華-南師”CMS組，并由南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授、清華大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)教授易凱擔(dān)任負(fù)責(zé)人，清華大學(xué)物理系副教授胡震擔(dān)任副負(fù)責(zé)人。近年來(lái)，中國(guó)CMS組在希格斯粒子性質(zhì)測(cè)量和多玻色子研究等方面成績(jī)突出，本次全粲四夸克態(tài)家族的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提升了中國(guó)組在國(guó)際合作中的地位。
2007年櫻井獎(jiǎng)（J.J.Sakurai Prize）得主、斯坦福大學(xué)教授斯坦利·布羅斯基（Stanley Brodsky）對(duì)這一結(jié)果評(píng)論道：“新發(fā)現(xiàn)的雙J/ψ強(qiáng)子家族開(kāi)辟了四夸克態(tài)研究中一個(gè)重要的新領(lǐng)域，它們非常像是由兩個(gè)自旋為1的雙粲夸克對(duì)組成的四夸克束縛態(tài)，這與由兩個(gè)介子組成的分子態(tài)有很大區(qū)別?！?/p>
美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室副所長(zhǎng)、D0實(shí)驗(yàn)前發(fā)言人德米特里·杰尼索夫（Dmitri Denisov）在ICHEP2022會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)參加了該結(jié)果的報(bào)告和討論，他認(rèn)為：“理解強(qiáng)相互作用是粒子物理研究中最重要的問(wèn)題之一，LHC上的CMS合作組發(fā)現(xiàn)的這些新共振態(tài)為更深入的理解基本粒子間的相互作用鋪平了道路，期待未來(lái)有更多這樣令人興奮的發(fā)現(xiàn)！”
“這是我們首次在實(shí)驗(yàn)上觀(guān)測(cè)到可能由純重味夸克組成的粒子家族?！毖芯拷M負(fù)責(zé)人易凱說(shuō)，“該發(fā)現(xiàn)是奇特強(qiáng)子研究領(lǐng)域的重要突破。這個(gè)獨(dú)特、容易理解的系統(tǒng)，可以幫助理論家為近20年發(fā)現(xiàn)的幾十個(gè)奇特強(qiáng)子建立最終模型?！?/p>
“清華-南師”CMS組2019級(jí)博士生溫宏偉在CMS合作組作了揭盲報(bào)告，博士后張敬慶、穆罕默德·阿瑪?shù)拢∕uhammad Ahmad）作了預(yù)審和終審報(bào)告；復(fù)旦大學(xué)沈成平團(tuán)隊(duì)的博士后高旭陽(yáng)承擔(dān)了大部分蒙特卡洛產(chǎn)生工作；中山大學(xué)本科生（已錄取為清華大學(xué)2022級(jí)博士生）王晰寧參與了質(zhì)量譜擬合研究?！扒迦A-南師”CMS組的其他研究生和本科生共計(jì)十多人也參與了這項(xiàng)工作。
清華大學(xué)高能物理研究中心主任、物理系教授王青對(duì)此課題的更深入發(fā)展與突破寄予厚望，他認(rèn)為：“在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理遲遲不能被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的時(shí)代，多夸克態(tài)新粒子，如五夸克態(tài)、全粲四夸克態(tài)等的發(fā)現(xiàn)，是推動(dòng)粒子物理研究發(fā)展的重要前沿，中國(guó)人在其中起了關(guān)鍵性的作用。清華高能中心繼2015年在LHCb實(shí)驗(yàn)上主導(dǎo)五夸克粒子的發(fā)現(xiàn)以及后續(xù)的不斷發(fā)現(xiàn)之后，本次又在CMS實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)全粲四夸克家族，為我們?cè)谠擃I(lǐng)域的繼續(xù)深入探索打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，未來(lái)幾年的研究非常令人期待。”
在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，物質(zhì)世界的基本粒子有夸克、輕子等。兩個(gè)夸克或三個(gè)夸克分別組成了傳統(tǒng)的介子和重子，統(tǒng)稱(chēng)為“傳統(tǒng)”強(qiáng)子。除此之外的強(qiáng)子，比如由四個(gè)甚至五個(gè)夸克組成的，或者含有膠子成分的，叫做“奇特”強(qiáng)子。早期發(fā)現(xiàn)的可能的奇特強(qiáng)子僅包括K*等一些較輕的介子，而2003年BELLE合作組發(fā)現(xiàn)的可能奇特介子X(jué)(3872)掀起了近二十年世界上對(duì)“重味”奇特強(qiáng)子研究的熱潮，并成為高能物理的長(zhǎng)期熱點(diǎn)之一。之后中國(guó)BESIII合作組發(fā)現(xiàn)的帶電奇特強(qiáng)子Zc(3900)+等則確認(rèn)了該類(lèi)奇特強(qiáng)子不同于傳統(tǒng)粲偶素的奇特性——帶電性，并把重味奇特強(qiáng)子的研究進(jìn)一步推向了高潮。奇特強(qiáng)子的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)常充滿(mǎn)曲折。如X(4140)粒子，2009年CDF實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之后，又被其他實(shí)驗(yàn)否定，直至2017年LHCb以更大的統(tǒng)計(jì)量重新確認(rèn)其存在，歷時(shí)8年才最終得到大家認(rèn)可。再如五夸克態(tài)，盡管本世紀(jì)初就在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中初見(jiàn)端倪（后經(jīng)驗(yàn)證均為統(tǒng)計(jì)波動(dòng)），僅有2015年LHCb發(fā)現(xiàn)的五夸克態(tài)最先得到廣泛認(rèn)可，并入選當(dāng)年世界物理十大突破。
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：任帥
編輯：李華山
審核：李含
