Belle和BESIII实验发现新粒子
2015-01-20

BelleBESIII实验发现新粒子

 

新粒子暗示存在四夸克物质: BelleBESIII实验同时宣布发现一个新的带电粒子,很可能就是人们一直寻找的四夸克物质。

 

   夸克模型指出,夸克是自然界的基本物质结构单元。夸克是一种带有分数电荷的基本物质组成单元。自然界总共有六种夸克,分别是上(up)、下(down)、粲(charm)、奇(strange)、顶(top)和底(bottom)。引进夸克的概念能够很好地将目前实验上观测到的绝大多数粒子归类,因而夸克模型被人们广为接受。

   夸克以两种形式组成物质:分别是由3个夸克构成的粒子(称为重子, 如质子和中子)和由正反夸克对构成的粒子(称为介子, πK介子)。夸克不能单独存在于自然界,实验上,人们也从来没有观测到单独存在的夸克。夸克的这种性质称之为色禁闭。重子和介子都是由夸克通过强作用力束缚起来的粒子,因而也被统称为强子。强相互作用力是一种很复杂的相互作用形式,目前用大家普遍接受的是量子色动力学(QCD)理论来描述它。在QCD的理论框架下,自然界的强子形态有许多种。除了常规的重子与介子外,QCD还允许存在由多个夸克构成的多夸克态(例如四夸克态、五夸克态等);由夸克和传递强相互作用的胶子构成的夸克胶子混杂态;甚至完全由胶子构成的胶子球等。粒子物理学家相信自然界存在多夸克态,然而却一直没有找到确凿的实验证据。

   2013年6月17,位于日本筑波高能加速器研究机构的Belle实验和北京正负电子对撞机上的BESIII实验同时发现了一个新的共振结构,将其命名为Zc(3900)Zc(3900)的质量比一个氦原子略大,寿命很短,在10-23秒内衰变为一个带电p粒子和一个J/y粒子。Zc(3900)衰变产物中含有粲偶素粒子(J/y),因而其内部必定是含有正反粲夸克对的。但是正反粲夸克对构成的普通粲偶素都是电中性的,这与Zc(3900)的带电性质矛盾。能够克服这一矛盾的唯一解释是,Zc(3900)内部还含有其他的夸克成分。能够构成Zc(3900)的最小夸克组分就是四个夸克的组合。Zc(3900)很可能就是科学家们长期寻找的四夸克态。

对于Zc(3900)的物理本质,目前还难以下一个确切的结论。研究清楚这个问题,还需要实验和理论的进一步努力。实验上,将继续采集更多的实验数据,利用这些数据样本将可以确定Zc(3900)共振态的自旋宇称量子数,并寻找其他的可能衰变模式。另外,还可以对理论模型预言的Zc(3900)的伴随态进行寻找,甄别四夸克态模型和强子分子态模型。对Zc(3900)性质的理解以及带电类粲偶素的研究将会进入一个新的时代。

   20136-7月,我校相继成功加入BESIII, Belle, BelleII国际高能物理合作组,成为国内高能物理实验的一个重要平台。我校物理科学与核能工程学院的“青年千人”沈成平教授正是上面提到的日本Belle合作组论文的三个主要作者之一,并且是Belle实验论文的通讯作者,同时他也是BESIII合作组成员。

 

 

 

 

 

 

1: Mmax(πJ/Ψ)分布拟和的结果, 左图来自Belle的实验数据,右图来自BESIII实验数据

 

  :  美国物理学会主编的《物理》杂志20131230公布了2013年物理领域“研究热点”,“发现四夸克物质”位列十一项成果之首。《物理》杂志的评选是在物理学界及以外引起轰动的成果,综合考虑了网络传播中的展示度,出人意料的成果和发现,或者导致更好的技术的可能性。更多的细节请参看: http://physics.aps.org/articles/v6/139

沈成平, 北京航空航天大学物理科学与核能工程学院教授, 邮件地址: shencp@buaa.edu.cn

参考文献:

[1] Z. Q. Liu et al. (Belle Collaboration), Phys. Rev. Lett. 110, 252002 (2013).

[2] M. Ablikim et al. (BESIII Collaboration), Phys. Rev. Lett. 110, 252001 (2013).