近日，Physical Review Letters（《物理評論快報》）正式發表了由中國科學院大學粒子物理實驗團隊主導的在歐洲核子中心LHCb實驗上發現的首個雙電荷四夸克態物理結果。同時該研究還發現了中性的四夸克態伙伴。
(資料圖片)
該研究以LHCb合作組署名發表于Physical Review Letters，并被選為當期“Editors’ Suggestion”（編輯推薦文章）和“Feature in Physics”，并以“A Pair of New Tetraquarks”為題報道于美國物理學會網站。同時，該研究在Physical Review D發表一篇長文，分析更多研究細節。
實驗上發現雙電荷四夸克態及其中性伙伴
團隊通過分析LHCb實驗上采集的海量質子-質子對撞數據，在底介子衰變中的帶電奇異粲介子（夸克成份為1個粲夸克和1個反奇異夸克）和帶電介子末態中觀測到了一個帶有雙電荷的粒子，衰變性質與普通介子相似。但普通介子由兩個夸克組成，最多攜帶一個電荷，因此新粒子內部要求包含至少四個夸克。同時還在同位旋對稱的衰變末態中，發現了該粒子的中性伴隨態。這兩個粒子發現的統計顯著性均大于6倍標準偏差。這是首次在實驗上發現雙電荷四夸克態強子，而且是同時發現兩種全新夸克組分的強子伙伴。
此次發現的四夸克態內部結構非常奇特：包含了四種不同類型的夸克成份，上夸克、下夸克、奇異夸克和粲夸克各一個，涵蓋了前兩代的所有夸克，測量得到它們的質量約為質子質量的3.1倍。本研究結果2022年7月在歐洲核子中心網站和英國BBC網站公開報道，2023年1月相關期刊論文被PRL和PRD接受發表，但受國際形勢影響，近期才正式發表。
發現的兩個四夸克態的夸克成份示意圖
理論上，雙電荷粒子內部四個夸克均為同號電荷，會存在更強的庫倫排斥力，其內部的強相互作用會比其他強子態更強，因此這兩個四夸克態的發現為確認自然界中存在超出常規重子與介子的新物質形態提供了全新的實驗證據，有助于加深我們對宇宙中物質最基本結構的理解。這引起了國際粒子物理同行高度關注，可能的解釋包括緊致的四夸克態或者含四個夸克的分子態等，至今已有20多項相關理論研究。值得注意的是，2017年中國朱世琳理論團隊等曾預言了包含相同夸克成份的四夸克態存在，計算的質量與本實驗結果一致。
中國科學院大學粒子物理實驗團隊長期以來致力于四夸克奇特強子態的研究，并取得系列重要成果。團隊負責人鄭陽恒教授、骨干呂曉睿教授、錢文斌教授和劉倩副教授一起帶領中國科學院大學研究生和本科生主導完成了該研究成果。特別指出的是，該團隊研發的振幅分析基礎軟件工具TF-PWA在相關研究中發揮了關鍵作用。
LHCb實驗是歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的粒子物理實驗裝置之一，是國際上研究新型強子態的重要裝置。研究參與單位還包括：英國華威大學、美國麻省理工學院、法國馬賽粒子物理實驗室、清華大學等。本研究成果得到了國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、中國科學院及教育部中央高校基本科研業務費專項資金等項目經費的支持。
詳細信息：
《物理評論快報》在線發表鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.041902
《物理評論D》在線發表鏈接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.012017
美國物理學會網站報道：
https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.16.s42
振幅分析基礎軟件工具鏈接：
https://tf-pwa.readthedocs.io/en/latest/
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