【科讯】新的四夸克态粒子！刚刚在大型强子对撞机上的发现 | 探臻科技评论

图 1 四夸克态粒子 的艺术化示意 版权：D Dominguez / CERN

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欧洲中部时间 2021 年 3 月 3 日上午，欧洲核子研究中心（European Organization of Nuclear Research，CERN）的大型强子对撞机底夸克物理实验（Large Hadron Collider beauty Experiment，LHCb 实验）合作组宣布发现四个新的奇特态强子，其中包括两个具有全新夸克组分的四夸克态粒子——宽度较窄的 和较宽的 ，以及另外两个四夸克态粒子—— 和 。

这项研究工作是以北京大学物理系、清华大学工物系和美国雪城大学的研究人员为主导，由 LHCb 合作组完成的。相关文章的预印本已经在 arXiv 上公开（链接见本文最后），并提交至著名期刊 Physical Review Letters 。按高能物理国际合作惯例，论文由 LHCb 合作组全体成员署名，作者按姓氏的英文字母次序排序。

“夸克模型”是粒子物理学标准模型的关键组成部分，对于解释我们所生活的世界是如何构成的有着重要作用。夸克共有上（up）、下（down）、粲（charm）、奇（strange）、顶（top）和底（bottom）6 种，夸克以及它们的反粒子共同组成了强子。

普通强子分为由 3 个夸克构成的“重子”和由正反夸克对构成的“介子”两类。

我们所熟悉的质子、中子等核子，就是由 3 个夸克组成的重子。此外，科学家还提出了由更多夸克构成的强子态，比如由两个夸克和两个反夸克组成的

“四夸克态”

（tetraquark），以及由四个夸克和一个反夸克组成的

“五夸克态”

（pentaquark），它们都被成为

“奇特态”

（exotic state）。本次发现的四个新的奇特态强子，都属于四夸克态。

图 2 底夸克介子的不变质量分布 版权：LHCb 合作组

这次发现用到了大型强子对撞机（LHC）迄今为止所有的质子—质子对撞数据，在通过包括机器学习在内的技术对干扰数据进行筛选后，在带电底夸克介子 到粲夸克偶素 、 介子和带电 K 介子的衰变过程 中共观测到了约 24,000 个事例，图 2 展示了经过筛选后的事例中， 介子的不变质量分布及其拟合结果，可以看出，筛选后的数据样本的本底（background）水平很低，信噪比大大增强。

图 3 数据样本的达里兹图 版权：LHCb 合作组

将这一衰变看做末态粒子为 的三体衰变，可以使用达里兹图（Dalitz plot）来展现其中可能的含有的共振态结构。在底夸克介子 衰变过程中的极短时间内存在的中间态粒子，会通过达里兹图上的纵向或横向增强结构显示出来，否则，达里兹图会是均匀分布的。从图 3 的达里兹图中可以明显地观察到一些横向和纵向的带状增强结构，它们都暗示了新粒子的存在。纵向的带状增强结构代表了夸克组分为 的四夸克态，包括了同样由 LHCb 合作组在 2016 年发现的4个四夸克态—— X(4140), X(4274), X(4500)和 X(4700)，以及此次新发现的2个四夸克态—— X(4685)和 X(4630)；而横向的带状增强结构对应的夸克组分是 ，此次在其中新发现了两个四夸克态 和 ，通过进一步的分波分析（Amplitude analysis）确认了它们的存在（如图 4)，并得到了各自的质量、宽度、自旋量子数和宇称量子数。从夸克组分可以看出，它们都是带有奇异数的隐粲四夸克态，

其中 

的质量是 

（结果第一个不确定度为统计误差，第二个不确定度为系统误差，下同），宽度是 

，自旋和宇称量子数是 

；而 

的质量是 

，宽度是 

，自旋和宇称量子数可能是 

或 

，这两个四夸克态拟合结果的显著性差异都超出了 5 倍标准偏差。

图 4（左） 系统和（右） 系统的质量分布（其中灰色直方图表示 的贡献，红色表示分波分析拟合的结果，黑色点为实测数据，其余为其他的中间态粒子，见最左侧图例） 版权：LHCb 合作组

这些实验上新发现的奇特态强子已经引发了广大理论物理学家的兴趣。然而，以量子色动力学（QCD）为代表的理论在解释多夸克态的详细形成机制上仍然存在不少困难。人们对此普遍有两种观点：四夸克态可以是紧密结合的双夸克对结构，也可以是松散结合的介子—介子构成的分子结构——甚至两者都有，这取决于产生过程。2020年11月份，北京正负电子对撞机（BEPC）上的北京谱仪第三期（BESIII）合作组宣布发现了第一个带有奇异数的隐粲四夸克态的候选者（candidate）—— ，目前尚不能完全确定 和 是否是同一个粒子态，因为尽管二者的质量在误差范围内是一致的，但宽度却相差了约 10 倍。这次发现的主要完成人之一、清华大学工程物理系张黎明副教授表示：“这些共振态可能有非常不同的内部结构。BESIII 实验所看到的是一种较窄且寿命较长的粒子，使用和原子核类似的分子模型更容易解释，在这种（分子态）结构中，两个常规介子通过剩余的强相互作用结合到一起；而 LHCb 上观察到的这个态明显更宽，解释为紧致多夸克态的候选者更加自然。”图 1 是 作为紧致多夸克态的一个艺术化呈现。

粒子物理实验上大部分的重要发现，总是充满着大大小小的偶然性。然而，只有提前做足了功课，具备了足够的能力和耐心，才能在机遇真正来临时牢牢抓住它。“大概一年多前，我们在 Dalitz 图中看到了 存在的迹象，为了测量其准确的性质，我们对整个衰变道进行了完整的分波分析，总共四个新的四夸克态得以发现。”本次发现的主要完成人之一，北京大学物理学院博士生许泽华在回忆整个工作的过程时这样说到。

LHCb 探测器是位于当前世界上能量最高的粒子加速装置——CERN的大型强子对撞机上的四个大型实验装置之一。LHCb 实验由来自世界各地的1400多名物理学家及工程师组成，致力于进行包含粲夸克和底夸克粒子的精确测量，探索物质与反物质的不对称性之谜，从而寻找新物理的间接证据以及研究强相互作用的性质。“通过参加大型国际合作，我们可以在国际最高水平的科学装置上从事前沿课题研究。”北京大学物理学院院长、中国科学院院士、LHCb 中国组负责人高原宁教授高度评价国际合作对学科建设和人才培养的重要性：“在国际合作组中，国际上最高水平的专家和学生一起工作，共同探索物质的基本结构和相互作用，不断促进人类对自然界本质的认识。”

显然，在“弄清这些四夸克态的结构”这一目标上，研究人员还有很长的路要走。对于已有的发现和未来的目标，LHCb 合作组发言人 Chris Parkes 表示：“在开始运行后的十一年里，随着可以利用的 LHC 数据的统计量不断增加，LHCb 合作组在奇特强子态的研究上不断取得丰富的成果并希望它未来能在这一领域引领世界，从而帮助人们更深入地去探索量子色动力学。”

论文链接： 

https://arxiv.org/abs/2103.01803

CERN 新闻网站链接：

https://cerncourier.com/a/lhcb-observes-four-new-tetraquarks/

LHCb 合作组新闻网站链接： 

https://lhcb-public.web.cern.ch/Welcome.html#ccus

文稿｜任　赞 王梦臻

编辑｜ 沈志宏 寇方铖 危　琨

排版｜林奕莹 于亿航

审核｜张可人

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