首次发现全粲四夸克粒子家族

据清华大学记者报道，在最近于意大利举行的第41届国际高能物理会议上，欧洲粒子物理研究所(CERN)大型强子对撞机(LHC)的紧凑型子螺线管探测器(CMS)合作组报告说，他们发现了一个可能由四种粒子组成的奇怪粒子家族。中国CMS集团的伊凯教授代表CMS合作小组报告了这一结果，由清华大学和南师大的研究人员组成的清华-石楠CMS小组在这一研究中发挥了独创性的领导作用。

“由于这些粒子内部都是由同一个重夸克组成的，物理图像相对简单易懂，为我们研究强相互作用提供了新的窗口。”伊凯介绍，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实验中牵头发现新粒子。

在粒子物理的标准模型框架下，物质世界的基本粒子是夸克、轻子等。两个夸克或三个夸克形成传统的介子和重子，统称为“传统”强子。其他强子，比如那些由四个甚至五个夸克组成或者含有胶子的强子，被称为“奇特”强子。

理论家在几十年前就预言了传统强子和奇怪强子的存在。然而，直到最近20年，科学家们才观察到四夸克或五夸克的奇怪强子。早期发现的可能奇异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异介子X(3872)在全球掀起了近20年的“重味”奇异强子研究热潮，成为高能物理中长期热点之一。之后，我国BESIII合作组发现的带电奇特强子Zc(3900)证实了这种奇特强子不同于传统的粲元素，更是将重味奇特强子的研究推向了高潮。

但奇异强子的实验研究往往一波三折。比如2009年CDF实验发现了X(4140)粒子，后来被其他实验否定了。直到2017年，LHCb用更大的统计数据再次确认了它的存在，用了8年的时间才最终被大家认可。另一个例子是五夸克态。虽然五夸克态在本世纪初的许多实验中首次出现(都是经过验证的统计涨落)，但只有LHCb在2015年发现的五夸克态首次得到广泛认可，并入选当年世界物理学十大突破之一。

“之前，还没有发现奇怪的强子家族，即由粲夸克或底夸克组成的奇怪粒子。”伊凯说。

2013年，伊凯根据CMS实验数据量大、子木覆盖面广、质量分辨率好的特点，利用爱荷华大学CMS组2011-2012年收集的碰撞数据，对J/J/质谱进行了初步研究。2019年，南京师范大学物理科学与技术学院教授、清华大学客座教授伊凯和清华大学物理系副教授胡铮在清华大学和南京师范大学组建研究团队。两所大学的研究人员加入了依托清华大学的CMS实验，共同组成了“清华-石楠”CMS课题组，组长为伊凯，副组长为胡铮。“清华-石楠”CMS组在低质量、多轻子的最终状态下，对2016-2018年收集的数据进行了全面系统的研究。

基于2016-2018年收集的所有“质子-质子”碰撞数据，CMS合作组观测到一族全粲四夸克粒子(一组由具有相同味道的重夸克组成的奇怪强子)，而“清华-石楠”的CMS组在这一发现中发挥了主导作用。该家族中的三个共振峰按质量分别命名为X(6600)、X(6900)和X(7300)，其中X(6600)和X(7300)粒子为世界首次观测到；两年前的LHCb实验观测到了X(6900)粒子存在的证据，CMS的结果证实了X(6900)的存在。伊凯表示，这一发现是奇怪强子研究领域的一项重要突破：“这一独特且易于理解的系统可以帮助理论家们为

中国科学院院士、北京大学理论粒子物理学家赵光大在评价CMS实验的研究成果时说：“全粲四夸克态家族的发现对我们理解强相互作用具有重要意义。在这个系统中，由于没有轻夸克成分，不太可能形成交换轻介子形成的‘共’分子态结构，从而为我们提供了一个更简单易懂的物理图像。我很高兴中国实验粒子物理学家在这一发现中发挥了主导作用，希望在今后的工作中再接再厉。”

美国布鲁克海文国家实验室副主任、D0实验前发言人德米特里杰尼索夫(Dmitry Denisov)出席了会议现场对结果的报告和讨论。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 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。期待以后有更多这样激动人心的发现！”

CMS合作组由来自50多个国家、约240个单位的4000多名成员组成。其中，中国组成员来自中国科学院高能所、北京大学、中国科学技术大学、北京航空航天大学、清华大学、中山大学、浙江大学、复旦大学、南京师范大学等院校。近年来，中国CMS集团在希格斯粒子性质测量和多玻色子研究方面取得了突出成就，全魅四夸克家族的发现进一步提升了中国集团在国际合作中的地位。