【科技前沿】全粲四夸克粒子家族首次发现

  本报北京7月11日电 记者邓晖从清华大学获悉，近日在意大利举行的第41届国际高能物理大会上，欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）的紧凑型缪子螺线管探测器（CMS）合作组报告，他们发现了一个可能由四个粲夸克组成的奇特粒子家族。中国CMS组的易凯教授代表CMS合作组报告了这一结果，清华大学和南京师范大学的研究人员联合组成的“清华-南师”CMS组在这项研究中发挥了原创和主导作用。

  “由于这些粒子内部由同一重味夸克组成，物理图像相对简单而易于理解，为我们研究强相互作用提供了一个新的窗口。”易凯介绍，这是中国实验团队首次在LHC上观测到全粲四夸克粒子，也是中国首次在CMS实验上主导新粒子的发现。

  在粒子物理标准模型框架下，物质世界的基本粒子有夸克、轻子等。两个夸克或三个夸克分别组成了传统的介子和重子，统称为“传统”强子。除此之外的强子，比如由四个甚至五个夸克组成的，或者含有胶子成分的，叫作“奇特”强子。

  理论学家在数十年前已预测到传统的强子和奇特强子态的存在，然而直到最近20年，科学家才在实验上观察到较为明确的四夸克态或五夸克态奇特强子。早期发现的可能的奇特强子仅包括一些较轻的介子，而2003年BELLE合作组发现的可能奇特介子X(3872)掀起了近20年世界上对“重味”奇特强子研究的热潮，并成为高能物理的长期热点之一。之后中国BESIII合作组发现的带电奇特强子Zc(3900)+等则确认了该类奇特强子不同于传统粲偶素的奇特性——带电性，并把重味奇特强子的研究进一步推向了高潮。

  但奇特强子的实验研究经常充满曲折。如X(4140)粒子，2009年CDF实验发现之后，又被其他实验否定，直至2017年LHCb以更大的统计量重新确认其存在，历时8年才最终得到大家认可。再如五夸克态，尽管本世纪初就在多个实验中初见端倪（后经验证均为统计波动），仅有2015年LHCb发现的五夸克态最先得到广泛认可，并入选当年世界物理十大突破。

  “此前还没有发现过全部可能由纯重味夸克组成的奇特强子家族，即粲夸克或底夸克组成的奇特粒子。”易凯说。

  2013年，易凯在爱荷华大学CMS组根据CMS实验数据量大、缪子覆盖率宽和质量分辨率好的特点，利用2011年至2012年收集的对撞数据对J/ψJ/ψ质量谱进行了初步研究。2019年，南京师范大学物理科学与技术学院教授、清华大学访问教授易凯和清华大学物理系副教授胡震在清华大学和南京师范大学组建了研究团队，两校研究人员依托清华大学加入了CMS实验，联合组成“清华-南师”CMS组，并由易凯担任负责人，胡震担任副负责人。“清华-南师”CMS组对2016年至2018年收集的数据在低质量多轻子末态进行了全面系统的研究。

  基于2016年至2018年采集的所有“质子-质子”对撞数据，CMS合作组观测到了全粲四夸克粒子家族（一组由同味重夸克组成的奇特强子），“清华-南师”CMS组在这一发现中起到了主导作用。该家族中的三个共振峰依据质量被命名为X(6600)、X(6900)和X(7300)，其中X(6600)和X(7300)粒子均是世界上首次被观测到；X(6900)粒子存在的证据已在两年前被LHCb实验观测到，CMS的结果确认了X(6900)的存在。易凯表示，该发现是奇特强子研究领域的重要突破：“这个独特、容易理解的系统，可以帮助理论家为近20年发现的几十个奇特强子建立最终模型。”

  对于CMS实验的本次研究成果，中科院院士、北京大学理论粒子物理学家赵光达评论：“全粲四夸克态家族的发现对我们理解强相互作用有着十分重要的意义。在这个系统中，由于没有轻夸克组分，不太会形成‘常见’的通过交换轻介子而形成的分子态结构，从而给我们提供一个更为简单、易于理解的物理图像。我十分高兴中国的实验粒子物理学家们在这项发现中起到了主导作用，希望在以后的工作中再接再厉。”

  美国布鲁克海文国家实验室副所长、D0实验前发言人德米特里·杰尼索夫在会议现场参加了该结果的报告和讨论，他认为：“理解强相互作用是粒子物理研究中最重要的问题之一，LHC上的CMS合作组发现的这些新共振态为更深入地理解基本粒子间的相互作用铺平了道路，期待未来有更多这样令人兴奋的发现！”

  CMS合作组由50多个国家、约240个单位的4000多名成员组成。其中，中国组成员来自中科院高能所、北京大学、中国科技大学、北京航空航天大学、清华大学、中山大学、浙江大学、复旦大学、南京师范大学等多个单位。近年来，中国CMS组在希格斯粒子性质测量和多玻色子研究等方面成绩突出，本次全粲四夸克态家族的发现进一步提升了中国组在国际合作中的地位。