清华北大联合研究团队主导在LHCb实验发现两个新型四夸克态

3月3日，欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research, CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）上底夸克探测器（Large Hadron Collider beauty, LHCb）实验组宣布，观测到两个含有全新夸克组分（cc[bar]us[bar]）的四夸克态Zcs(4000)和Zcs(4220)，以及两个新的含有cc[bar]ss[bar]的四夸克态X(4685)和X(4630)。北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室高原宁教授，清华大学工程物理系张黎明副教授和杨振伟副教授等组成的联合研究团队对此项发现作出突出贡献。与此同时，欧洲核子研究中心还宣布：最近十年，在大型强子对撞机上新发现的强子已达59个，平均每两个月就有一个新强子被探测到。

1964年，美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）提出夸克模型，认为质子和中子并非基本粒子，而是由三个夸克组成的，这类粒子称为重子，另一类粒子则由一个正夸克和一个反夸克构成，称为介子；重子和介子统称强子。除了普通的重子和介子之外，盖尔曼和茨威格还提出可能存在奇特类型的粒子，如在介子或重子中加入一对正反夸克，形成四夸克介子或五夸克重子。经过几十年不懈探索，这些粒子的存在性终究得到了实验证实。夸克模型的建立使人类对物质结构的认识一次次达到新高度；目前已知的夸克包括上夸克（u）、下夸克（d）、粲夸克（c）、奇异夸克（s）、底夸克（d）和顶夸克（t）六种。

艺术家对Zcs四夸克态的印象（图片来源：CERN）

在底介子到粲夸克偶素、phi介子和带电K介子的衰变过程中，LHCb研究团队发现粲夸克偶素与带电K介子组合的不变质量谱中存在明显的增强结构。进一步的分析表明，该系统存在两个共振态结构，分别被命名为Zcs(4000)和Zcs(4220)；这两个共振态通过强相互作用衰变到粲夸克偶素和带电K介子，故至少由cc[bar]us[bar]四个夸克构成。具有这一组分特性的四夸克态在实验上十分稀有；此前，北京谱仪（BESIII）实验于2020年11月宣布发现可能含有奇异夸克的类粲偶素四夸克态Zcs(3985)。LHCb研究团队还在粲夸克偶素和phi介子组合的不变质量谱中发现了两个新的四夸克态X(4685)和X(4630)的存在。

张黎明副教授和北京大学物理学院2016级博士研究生许泽华是这次发现的主要完成人。许泽华等精确测量了这些新四夸克态的质量、宽度等参数，对于理解其内部结构具有重要意义。张黎明指出，BESIII实验观测到的Zcs共振态具有宽度窄、寿命长的特点，与通常讨论的由相互作用衰变的介子态明显不同，因而更像是两个普通介子通过类似原子核间核力形式结合在一起，构成类分子态结构；而这次观测到的Zcs共振态明显较宽，与紧致结合的四夸克态更为相符。

LHCb是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置，实验合作组由来自18个国家和地区89个机构的1400余名科研人员组成。2011—2018年，LHCb实验获取了大量质子-质子对撞数据，并以此为基础发表了550余篇学术论文。LHCb中国研究团队创立于2000年，成员来自北京大学、清华大学等八所高校或科研院所，近年来取得一系列具有国际影响力的研究成果。“长期参加这样的国际大科学合作，在世界规模最大、能量最高的科学装置上从事前沿课题研究，与世界顶尖水平的科学家和多元文化背景的同行携手探究物质的基本结构和相互作用，对于我们，尤其是青年教师和学生来说，不仅有利于自身研究能力的提升，更有助于不断促进人类揭示自然界的奥秘。”LHCb中国研究团队负责人高原宁教授高度评价国际合作研究对学科发展和人才培养的重要意义。

上述研究是由清华大学和北京大学的研究人员主导，LHCb国际合作组完成并发布。相关论文预印本已发布并投稿至《物理评论快报》（Physical Review Letters）。按照高能物理学界惯例，论文由合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划资助，以及清华大学自主科研计划和“双一流”学科建设项目、北京大学“引导专项”的经费支持。（来源媒体：清华大学）