清華大學 張黎明

在粒子物理標準模型中,強相互作用由量子色動力學(QCD)描述。盡管QCD在高能標下的漸進自由特性已經得到大量實驗驗證,但人們對QCD在低能標下的非微擾特性仍然知之甚少,而強相互作用的夸克禁閉現象長期以來一直是世界難題。

強子譜學是理解強相互作用的重要手段。五夸克態作為奇特強子態具有豐富的內部結構,為研究強相互作用提供了獨特的平臺。自2015年大型強子對撞機上的底夸克(LHCb)實驗首次發現五夸克態以來,關于五夸克態的理論和實驗研究相互促進,均得到了快速發展。那么,LHCb實驗在五夸克態研究中取得了哪些進展?未來LHCb實驗還將為五夸克態研究帶來哪些機遇?

五夸克態成研究熱點

1973年,QCD理論建立,距今已逾50年。QCD具有漸進自由的特性,即強相互作用的耦合常數隨著能標的增大而減小。QCD在高能標下的漸進自由特性已被大量實驗結果驗證,此能標下的物理量可以通過微擾展開計算得到;然而在低能標下微擾展開不再適用,物理量只能通過有效模型或格點QCD計算得到。理解QCD在非微擾區的性質是當前粒子物理學的重要課題。它有助于解開夸克是如何形成強子的謎題,進而理解夸克禁閉的本質。

強子是夸克和膠子在強相互作用下形成的束縛態,分為介子和重子兩大類。對強子譜學的研究是理解強相互作用的重要手段。

1964年提出的夸克模型,認為強子是由更基本的夸克(q)構成的。目前已知的夸克有六種:上夸克(u)、下夸克 (d)、奇異夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和頂夸克 (t)。

可能的五夸克態的內部構成:松散結合分子態(左)緊密結合緊致態(右)

根據夸克模型,常規重子(例如質子和中子)由三個夸克構成;常規介子由一個正和一個反夸克構成。 夸克模型在提出時就預言存在更為復雜的強子態——多夸克態,如夸克組分為qqq?q?的介子和夸克組分為qqqqq?的重子。

除常規強子之外的所有強子統稱為奇特強子。相比于常規強子,奇特強子具有更豐富的內部結構,為理解強相互作用提供了新的平臺。五夸克態是最簡單的奇特重子,它可能是五個夸克被緊密束縛的緊致結構,也可能是由重子和介子結合成類似"分子態”的結構。自夸克模型提出以來,五夸克態一直是理論與實驗研究的熱點。

五夸克態研究的實驗轉折點出現在2015年——LHCb 實驗發現了隱粲五夸克態。 這一發現促進了五夸克態的理論和實驗研究的快速發展。

發現五夸克態

2015年,LHCb 實驗在衰變過程中首次觀測到與夸克成分為cc?uud的隱粲五夸克態相符的共振結構。觀測顯示存在一個結構較寬和一個較窄的共振峰。2019年,LHCb實驗利用近十倍的數據,在同一個衰變道中觀測到更精細的結構:原先看到的較窄的共振態是由兩個質量極為接近、寬度更窄的共振態疊加而成;此外,還發現了一個質量較低的新的窄峰。

新觀測到的五夸克態寬度都很窄,這一特征與"分子態”模型中預測的松散束縛型五夸克態相符。值得強調的是,這些態在 LHCb 實驗2015年的發現之前就被理論預言了,并且主要是由中國理論學家完成。

盡管如此,目前仍然不能完全排除其他解釋。例如,將這些新的窄五夸克態解釋為緊密束縛型五夸克態。然而,這一解釋也面臨重要挑戰,為什么這些態的質量與特定的強子對閾值一致?

根據 SU(3) 味道對稱性,人們預期存在奇異隱粲五夸克態。利用最新的實驗結果,分子態模型預言了很多閾值附近的奇異隱粲五夸克態。2021年實驗上首次觀察到了奇異隱粲五夸克態存在的跡象。兩年后,在另外一個過程中首次觀測到最小夸克組分為cc?uds的奇異隱粲五夸克態。

更多數據支撐未來探索

LHCb實驗首次在大統計量數據中以很高的顯著性水平發現五夸克態。這主要得益于兩方面原因:一是LHC的質子-質子對撞能產生大量底重子;二是LHCb探測器具有高效的粒子識別系統和優秀的質量分辨能力,能夠高效且正確的重建這些產生的底重子事例。

迄今為止,實驗已經觀測到幾個隱粲五夸克態候選者,隱粲五夸克態家族初步呈現。它們展現了顯著的特性:共振寬度極窄,位于粲重子與反粲介子質量閾值之下或非常靠近,鮮明地展現了"分子”型五夸克態特征。這些發現為進一步探索五夸克態的內部結構提供了關鍵線索。

到目前為止,已知的五夸克態僅觀測到一種衰變過程,尋找更多衰變過程將幫助我們理解五夸克態的內部結構。如果能建立起隱粲五夸克態和奇異隱粲五夸克態的直接聯系,系統性研究這兩類隱粲五夸克態,也可以幫助解析它們的內部結構。

為了更好的了解五夸克態的全貌,需要去尋找不同夸克類型的五夸克態,如含粲、雙粲五夸克態等。顯然,這些研究的深入推進有賴于更大統計量的數據。LHCb實驗預計在未來十年內將累積約50 fb-1積分亮度的數據,且在2033年進行第二階段升級之后,將總數據量進一步提升至300 fb-1。這一數據規模將極大地促進強子譜的研究,并為五夸克態的系統研究提供強大的科研平臺和數據支撐。

作者簡介

張黎明,清華大學工程物理系長聘副教授,現任清華大學粒子物理LHCb團隊負責人。2006年獲博士學位,期間以第一作者發表4篇高水平論文,在中性D介子混合領域取得早期突破。2006年赴美國雪城大學從事博士后研究,加入Sheldon Stone教授團隊,成為味物理研究核心成員,合作發表23篇論文,并主導完成LHCb實驗建成后的首批3篇論文。

2014年入選青年人才計劃加入清華大學,任LHCb實驗組骨干。2015年與合作者發現五夸克態,為核心分析人,首次提出并證實峰狀結構為新粒子信號,成果引發國際關注。此后主導多項強子結構研究:發現五夸克態精細結構、奇異隱粲五夸克態證據、四夸克態Zcs(4000)+/Zcs(4220)+、X(3960)共振結構,以及粲介子D_s0(2590)+和底重子Ξ_b(6327/6333)^0等新激發態,多發表于《物理評論快報》。

在CP破壞領域,創新方法將φ_s測量精度提升30%,保持LHCb國際領先地位。其研究助力LHC實驗獲2025年基礎物理突破獎,表彰"新強子發現與物質-反物質不對稱性探索”等成果。