北京谱仪轻奇特强子态研究.pdf

现代物理知识 北京谱仪轻奇特强子态研究 房双世 1,2 刘北江 1,2 吴家俊 2 (1. 中国科学院高能物理研究所 100049；2. 中国科学院大学 100049) 夸克被胶子“胶合”在一起，形成了强子。前边 一、强子谱与“色禁闭” 提到的质子和中子就是由三个夸克形成的强子 自然界的物质由微观原子构成，原子是由位于 —— 重 子 。 一 对 正 反 夸 克 可 以 形 成 另 一 类 强 子 中心的原子核与核外电子构成的。在更加微观的 ——介子。目前已经确认的几百种强子只有重子 尺度上，原子核由核子(质子和中子)组成，核子由夸 和介子这两种物质形态。 克组成。夸克是几种基本粒子之一，是构成宇宙的 面对如此众多的强子，一个自然的问题是我们 基本单元。物理学家用“味道”来区分不同的夸克， 怎样对它们分类命名，就好比众多的水果，当我们 共有 6 种“味道”，分别是上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸 喊出其名字时，特有的物性和味道就会呈现在我们 克(c)、奇异夸克(s)、顶夸克(t)和底夸克(b)。每一种 的脑海里，比如望梅止渴。强子的性质主要决定于 味道的夸克还存在一个相应的反夸克。 其内部组成的夸克的种类，即味道量子数，以及这 夸克从不孤单，夸克之间被自然界最强的相互 些夸克的相互关系，即自旋宇称和径向量子数。夸 作用——强相互作用所束缚。强相互作用通过一 克的味道比较简单，每一种夸克都有其特有的味 种叫做胶子的基本粒子来传递。对一个质子来说， 道，这些味道的总和就是强子的味道；而强子的自 组成它的 3 个夸克的质量仅占质子质量的不到 2%， 旋宇称是由夸克的自旋和相互间的轨道角动量决 大部分的质量来自于参与强相互作用的胶子。强 定的。由于介子是正反夸克对组成，重子是由三个 相互作用是物质质量的主要来源。研究夸克和它 夸克组成，所以它们命名的方法也不同。对于介 们之间的强相互作用，是认识物质世界的基础。 子，首先可以分为两大类，味中性(即正反夸克相 夸克之间的强相互作用力与直觉相反，距离越 同，特别注意 u，d 夸克视作同一味道，以下记为 q)和 近，力越弱；距离越远，力越强。如图 1 所示，要把质 S、C、B、T 味道(正反夸克味道不同)的介子。对于带 子中的夸克分开，需要数吨的力量。这种力量大到 味道的介子，根据味道不同即可命名，如表 1 所示。 可以从真空中产生一对新的夸克，而不是把原有的 而对于味中性介子不仅根据其味道，还要区分夸克 夸克分开。强相互作用这种特殊的性质叫做“色禁 对的总自旋为 0 或 1，以及轨道角动量为奇数或偶 闭”(也称夸克禁闭)。色禁闭的来源和机制是当今 数，这三者结合可以标记的介子如表 2 所示。尽管 物理研究中最重要的基本问题之一。 重子含有三个夸克，但是其命名却比较简单，只用 按照不同的味道量子数区分如表 3 所示。高激发态 的强子均由这些强子名称加上“*”来表示，并在其后 的括号内标识其质量。比如 N*(1535)即表示一个质 表 1 带味道的介子 q=u,d 图 1 色禁闭示意图 24 sq qc bu qt sc sb cb K D B T Ds Bs Bc 北京谱仪实验 30 年专题 表 2 味中性介子的命名 (S 为总自旋， L 为轨道角动量) 夸克湮灭产生新的物质，这一过程是通过胶子发生 qq 成分 \ 2S+1LJ 的。J/ψ衰变是富含胶子的过程(丰胶子过程)， 是公认 du,dd -uu,ud dd +uu,ss 1 S0 1 P1 3 S1 PJ 3 π b ρ a η,η' h,h' ω,ϕ f,f ' 的寻找胶球等奇特强子态的理想场所。J/ψ在 e + e湮灭过程中产生截面很大，这一巨大的天然优势使 cc ηc hc ψ (J/ψ) χc bb ηb hb γ χb 我们在正负电子对撞机上容易获得低本底、高统计 表 3 重子 q=u,d. 味道 精度的数据。1998 年北京谱仪升级完毕后，于 1999 qqq qqs qss sss qqc qsc ssc qcc scc N Σ, Λ Ξ Ω Σc, Λc Ξc Ωc Ξcc Ωcc 量为 1535 MeV 且为 N 的激发态，由此我们马上知 道其内部的夸克成分为三个 u 或 d 夸克，其自旋宇 称为 1/2-。 然而，强相互作用允许新的物质形态存在，例 年和 2000 年采集了 5800 万高质量的 J/ψ事例，是当 时世界上最大的 J/ψ数据样本。在北京正负电子对 撞机重大改造工程(BEPCⅡ)的基础上，北京谱仪Ⅲ (BESⅢ)国际合作组于 2019 年 2 月 11 日累计获取 100 亿 J/ψ事例。这为寻找和研究胶球等奇特强子 态提供了重要机遇。 如由纯胶子构成的胶球、由夸克和胶子构成的混杂 态、由三个以上夸克构成的多夸克态等等，它们统 称为奇特强子态。寻找和研究这些新的物质形态 将为夸克和胶子如何形成强子提供重要信息。如 果这些奇特强子态不存在，将意味着强相互作用基 本理论需要重大变革。 二、J/ψ衰变——研究轻奇特强子 态的天然宝藏 三、北京谱仪的胶球研究 类比于科学史上原子光谱对研究原子结构和 发展量子电动力学的重要作用，强子谱是研究强子 微观结构和强相互作用的重要工具。胶子之间有 自相互作用，可以形成束缚态——胶球，这是强相 互作用的重要特征。寻找胶球是对强相互作用的 直接检验，对于研究胶子场和理解色禁闭有重要意 义。在低能强相互作用的能区，由于夸克、胶子之 要研究遥远的星体，我们需要望远镜。要研究 间的强耦合效应，一般基于微扰论的理论方法都是 微观的细胞，我们需要显微镜。要研究强子的内部 失效的。现在唯一公认有效的是格点量子色动力 结构，我们需要粒子加速器。运行在北京正负电子 学方法。把量子色动力学局限在有限的方格内，通 对撞机上的北京谱仪实验是研究强相互作用的高 过大数据蒙特卡洛方法，得到足够多的组态，然后 精度前沿实验。寻找和研究奇特强子态是包括北 用特定的算符来抽取能谱的信号。这种非微扰的 京谱仪实验在内的国际上许多高能物理实验重要 办法是从量子色动力学第一性原理出发，自然得到 的物理目标。 的结果也令人信服。格点计算预言胶球最轻的三 J/ψ粒子是丁肇中教授和伯顿·里克特教授于 个态分别是标量(0++，质量约在 1.5~1.7 GeV，第一激 1974 年首次发现的(1976 年诺贝尔奖)。它的发现 发态在 2.1 GeV 附近)、张量(2 ++ ，2.3~2.4 GeV)和赝 证实了夸克模型预言的第四种夸克(粲夸克)的存 标量(0-+，2.3~2.6 GeV)态。这就为实验寻找这些胶 在，被誉为粒子物理的“十一月革命”。J/ψ是由正反 球提供了非常好的指导。这些胶球具有和由夸克 粲夸克组成的粲偶素。由于它的质量比最轻的粲 组成的常规介子具有相同量子数，实验观测到介子 介子对还要轻，没有足够的能量衰变到粲介子对。 谱可能是胶球与普通介子发生混合的结果。因此 因此，除了辐射跃迁到更轻的粲偶素ηc 之外，J/ψ粒 胶球的寻找和甄别非常困难，至今仍是强子物理的 子只能通过正反粲夸克湮灭的方式衰变。正反粲 国际前沿课题。 25 现代物理知识 为了确定胶球实验上需要进行系统的精确研 复杂的分析。寻找胶球首先需要全面地找出并确 究，一方面找出超出夸克模型预期的额外共振态； 认夸克模型预期的介子谱，从而找到无法归类于夸 另一方面要测量各个共振态的自旋宇称、质量、宽 克模型介子谱的共振态。然后需要系统地研究多 度、衰变率等性质，发现难以用简单夸克模型解释 种反应过程确定胶球候选者的产生和衰变性质。 的反常性质。长期以来国际上有大量的实验研究： 综合所有这些信息才能回答诸如如下问题：纯的胶 利用 e + e- 湮灭产生夸克偶素，在其辐射衰变中进行 球是否存在；以胶球为主的强子态是否存在；如果 研究的有美国的 Mark III 实验、CLEO 实验，中国的 存在，胶球的衰变模式如何等。因此，寻找和研究 北京谱仪实验；利用正反质子湮灭过程的有欧洲的 胶球需要非常高的统计量和完整的反应模式，而至 Crystal Barrel、OBELIX 等实验；利用中心产生过程 今人们尚未寻找到明确的胶球信号。BESIII 利用 的有欧洲的 WA102、GAMS 等实验；利用 e+e-对撞机 高统计量 J/ψ数据开展了一系列研究工作。 的双光子过程的有欧洲的 L3、ALEPH 等实验。 在赝标量胶球方面，η(1405/1475)是强子谱学 胶球的寻找需要系统地研究介子谱。在产生 长期以来著名的疑难问题。夸克模型预期在1.4 GeV 方面，根据 J/ψ辐射衰变的费曼图(图 2)，胶球产生的 附近只有一个赝标量介子，但是实验上不同反应 几率比普通介子要高。从第一性原理出发的格点 QCD 理论计算也证明胶球在 J/ψ辐射衰变的产生几 率很大。这是甄别胶球的重要判据之一。在衰变方 面，胶子是“味盲”的，胶子与不同味道的夸克的耦 合强度一样，换言之，胶球的衰变末态可以是任何 强子，也就是不存在所谓的“黄金”衰变道。如此一 来，胶球的探测和以往寻找新粒子完全不同，胶球 不可能如 J/ψ粒子那样直接呈现在人们面前。我们 需要研究多种末态才可能确定胶球候选者的性质。 这些系统的研究需要非常大量的数据和非常 过程分别发现了两个位于不同质量的共振结构 η(1405)和η(1475)。通常认为η(1475)是普通介子， 而额外的η(1405)无法归类于夸克模型的赝标量介 子谱。有许多理论把η(1405)当作一个赝标量胶球 候选者，引发多家实验在 1.4 GeV 附近开展了胶球 的寻找和研究。然而格点 QCD 理论计算预期赝标 量胶球在 2 GeV 以上，远高于 1.4 GeV。如何理解 这种巨大的差别，如何理解η(1405)的性质成为一个 重要疑难。 BESIII 首 次 发 现 同 位 旋 破 坏 过 程 η(1405) → f0(980)π0。(同位旋是一种对称性，在强相互作用中 通常是守恒的，在电磁相互作用中可以破坏。)实 验结果表明η(1405)→f0(980)π0 的同位旋破坏程度比 电磁过程导致的同位旋破坏高了一个数量级，反常 的实验结果意味着存在新的物理机制。此外实验 观测到的 f0(980)谱形的宽度显著低于其本征宽度。 理论家根据 BESIII 的实验发现提出了一种特 殊的反应机制。η(1405)和η(1475)可能是同一个共 振态由于这种特殊机制在不同反应过程中产生了 质量偏移。这意味着 1.4 GeV 附近只有一个赝标量 共振态，不需要额外的粒子，η(1405)→f0(980)π0 的发 图 2 J/ψ辐射衰变产生不同的强子态。其中 g 代表胶子，q 代 表夸克，G 代表胶球，H 代表夸克胶子混杂态，M 代表普通介 子， F 代表四夸克态 26 现为解决η(1405/1475)疑难提供了重要信息。BESII 和 BESIII 测量了η(1405)→γρ和η(1405)→γϕ的分 支比，这些测量对了解η(1405)的内部结构非常重 北京谱仪实验 30 年专题 要，从衰变性质的角度表明η(1405)更接近普通介 子。BES 的系列研究基本排除了η(1405)作为胶球 候选者的可能，重新为寻找赝标量胶球指明了方 向。BESIII 下一步将重点在 2 GeV 以上能区寻找 四、质子-反质子阈增长结构和 X (1835) 胶球是体现胶子间相互作用的奇特强子态，多 夸克态是另一类奇特强子态，体现了夸克间的相互 赝标量胶球。 关于标量介子谱，Crystal Barrel 实验以来已经 作用，寻找和研究多夸克态不仅是检验和发展夸克 有大量精确的实验结果。人们在 1~2 GeV 区间已 模型及粒子物理强相互作用理论量子色动力学的 经发现了许多标量介子，数目众多以至于无法归类 迫切需要，也有助于更深刻了解自然界物质结构。 于夸克模型。这种现象很可能是由于这个能区的 长期以来，有许多关于重子偶素、多夸克态等新粒 标量胶球与附近的普通介子发生混合产生了额外 子的理论预言，许多高能物理实验也一直在开展这 的粒子。1.5 GeV 附近的 f0(1370)， f0(1500)和 f0(1710) 方面的工作，但至今为止未获证实。此前，在分析 就是典型的代表，夸克模型中这个质量区间只有两 北京谱仪于 20 世纪 90 年代初获取的 800 万 J/ψ事例 个标量介子。f0(1500)和 f0(1710)都被当作是标量胶 时曾开展相关研究工作，但是由于事例数太少，无 球的重要候选者，究竟哪个粒子中有较高的胶子成 法得到明确的结论。1999 年初，北京谱仪升级为北 分存在很多争议。J/ψ辐射衰变中胶子丰富产生， 京谱仪 II，升级后综合性能大幅提高。并在此后两 理论预期胶球的产额会高于普通介子。BESIII 在 年间，获取了 5800 万高质量的 J/ψ事例，这是当时世 J/ψ→γηη过程中，观测到 f0(1710)和 f0(2100)有较大 界上最大的数据样本，比其他实验组高一个数量 产额，比 f0(1500)高一个数量级，f0(1710)和 f0(2100) 级，为北京谱仪 II 实验进行新粒子的寻找和研究创 的质量和产生性质与格点 QCD 预言的标量胶球的 造了有利条件。 基态和第一激发态相符，而 f0(1500)的产生性质更 2003 年北京谱仪 II 实验在 J/ψ → γppˉ 过程中， 接近普通介子。BESIII 在 J/ψ→γKSKS 和γπ0π0 过程 发现在质子-反质子的质量阈附近有反常增强。对 中也观测到了类似现象。虽然胶球没有主要衰变模 于这个衰变过程，研究中发现主要本底来源于 J/ψ 式，但是综合 BESIII 从多种衰变模式的测量结果， 衰变到一个中性π介子和正反质子的过程。为了确 f0(1710) 在 J/ψ 辐 射 衰 变 中 的 产 额 已 经 接 近 格 点 认所观测到反常增强结构不是来自于本底，对 J/ψ QCD 对标量胶球的预期。BESIII 的一系列研究有 衰变到一个中性π介子和正反质子也作了详细分 力地澄清了关于 f0(1500)和 f0(1710)胶子成分长期以 析，但没有在正反质子的阈附近观测到反常增强现 来的争议。 象，从而排除了此结构来自于本底的可能性。测量 张量介子谱以往的实验结果仍存在较大的误 得到该结构的质量为 1860 MeV(约为 3.32 × 10-27 千 差，亟需进一步精确的实验研究。BESIII 利用高统 克)，在 90%的置信度下宽度小于 30 MeV(也就是说 计量数据，在 J/ψ→γηη、γKSKS、γπ π 、γϕϕ的分析中观 寿命在 90%的置信度下小于 2.19 × 10-23 秒)，是一个 测到 f2(2340)大量产生，f2(2340)可能含有较高的胶 质量略低于正反质子阈的短寿命粒子。这种短寿 子成分，对格点 QCD 预言的张量胶球提供了重要 命的粒子通常被称为共振态。对辐射光子在 J/ψ 的支持。 质心系中的角分布的研究结果显示该共振态倾向 0 0 BESIII 新获取的 100 亿 J/ψ事例，前所未有的高 于是一个赝标量或标量粒子。因为该共振态不能 精度数据带来了胶球研究的重要机遇。BESIII 将 用已知的粒子来解释，所以暂时按其质量命名为 开展更多的研究，为胶球的存在性提供结论性的实 X(1860)(X 表示其基本结构仍未确定)。 验依据。 国际著名物理学家李政道先生获悉北京谱仪 II 27 现代物理知识 发现 X(1860)新粒子后，特意致信高能物理所表示 因而可能是质子-反质子束缚态，还有一些粒子物 祝贺，信中评价说： “ 这是一个十分重要的成果，也 理学家则认为它可能是胶子球、多夸克态或常规介 是物理学上很有意义的工作。”研究成果发表之后， 子等。 引发了很多对此共振态的理论解释，认为它有可能 北京谱仪 II 实验在强子谱研究中发现了质子- 是质子反质子束缚态，也就是说，该粒子有可能是 反质子质量阈值增长结构 X(1860)和 X(1835)等新 实验上长期寻找的六夸克态。当然，也有理论物理 粒子。在国际上引起了强烈反响，国际权威《粒子 学家认为可能来自于质子反质子末态相互作用。 数据手册》收录了 X(1835)等新粒子。为此 X(1835) 为此，除了已经分析过的 J/ψ → π0 ppˉ ，BESII 还分析 新粒子的发现入选 2006 年度“中国基础研究十大新 了 J/ψ → ωppˉ 等衰变过程，但在质子-反质子质量阈 闻”，并获得 2013 年度“国家自然科学奖”二等奖。 附近没有看到类似的共振态，所以排除了这个共振 这些新粒子可能来自于超出夸克模型的多夸克态 态来自于纯末态相互作用效应的可能性。 等奇特强子态，对它们的深入研究无疑将加深人们 发现 X(1860)新共振结构后，为了寻找其新衰 对自然界基本规律的认识。这是北京谱仪 II 实验 变模式，与理论物理学家进行了深入探讨。如果 在奇特强子态寻找的国际前沿热点研究领域做出 X(1860)为质子-反质子束缚态，则 π+ π- η' 是它可能 的重要贡献，因为实验数据还不足以对这些理论和 的一个新的衰变模式。2005 年，北京谱仪 II 实验详 猜测作出明确判断，也促使北京谱仪 II 实验进行升 细研究了辐射衰变 J/ψ → γπ+ π- η' ，并在 π+ π- η' 不变 级改造及其他高能物理实验开展进一步深入研究。 质量谱(图 3)上发现了一个清楚的共振峰结构。 2010 年,美国的 CLEO 实验也在质子反质子质 量阈附近观测到了 X(1860)，验证了北京谱仪 II 实 验的测量结果。随后，升级改造完成之后的北京谱 仪 III 实验进一步证实 X(1860)和 X(1835)，并测量了 它们自旋宇称，确定它们都是赝标量粒子，但是发 现 X(1835)的宽度远大于 X(1860)的宽度，引发两者 是否为同一粒子的讨论。为此，基于所采集的 13 亿 J/ψ 事 例 ，近 期 北 京 谱 仪 III 实 验 进 一 步 分 析 了 J/ψ → γπ+ π- η' ，发现在 π+ π- η' 质量谱上质子-反质子 图 3 BESII 观测到的 π+ π- η' 不变质量谱 质量阈附近有明显的反常(图 5)，分析结果表明该反 图中明显的共振结构即为 X(1835) BESIII 测量得到该共振态的质量为 1835 MeV, 按其质量命名为 X(1835)。该粒子的质量与 X(1860) 只差 25 MeV，为了检查它们是否为同一粒子。进 一步分析了确定了在考虑末态相互作用之后 ppˉ 近 阈反常增长结构的质量为 1833 MeV，与 X(1835)在 实验误差范围内一致，所以 X(1835)的发现支持了 X(1860)是质子-反质子束缚态存在的理论解释。 该结果发表之后，引发许多物理学家的浓厚兴趣和 广泛讨论，对它的基本结构进行了各种理论解释。 有些人认为 X(1835)可能与 X(1860)是同一个粒子， 28 图 4 BESIII 基于 2.2 亿 J/ψ事例所观测到的π+π-η' 不变质量谱。图中 1.6 GeV 以上三个明显的共振结构 分别对应 X(1835)， X(2120)和 X(2370) 北京谱仪实验 30 年专题 发现了 X(2120)和 X(2370)两个新的共振结构(图 4)。 因为它们的质量与格点 QCD 预言的胶球质量相 近，理论物理学家认为它们是胶球候选者。另外， 近年来 BESIII 实验还在 1.84 GeV 发现了其他共振 结构，如 X(1810)、X(1840)等。这些新共振结构的 发现是近些年北京谱仪实验的重要进展，引起了粒 子物理学家的关注，为丰富和完善强子谱及检验和 发展基本粒子物理理论提供了大量实验证据。但 是对于它们的性质，特别是它们的内部结构，它们 是多夸克态、胶球，或者是正反夸克组成的普通介 子，还有待于深入研究。特别是对于这些共振结构 的性质以及它们与质子-反质子阈增长结构和 X 图 5 BESIII 基于 13 亿 J/ψ例所观测到的π+π-η'不变质量谱。 图中竖直虚线为质子反质子质量阈值 (1835)的内在联系等也需要进一步深入研究。 长期以来，北京谱仪实验(BES，BESII，BESIII) 常 是 由 于 X(1835) 与 质 子 - 反 质 子 有 强 烈 耦 合 或 在轻强子谱物理这一国际前沿热点研究领域取得 X(1835)与一个窄共振态干涉导致，两者都支持质 了一系列重要成果。为了继续深入研究强子的微 子-反质子束缚态或分子态的存在。 观结构和相互作用，北京谱仪 III 实验已经采集了 特别值得指出的是，利用 13 亿 J/ψ事例分析 J/ψ→γπ+π-η'过程中，BESIII 实验还在π+π-η'质量谱上 100 亿 J/ψ事例和 4.5 亿ψ(2S)事例，高精度前沿的轻 奇特强子态的研究将开启新的篇章。 人类首张黑洞照片 这段时间一张照片引起了人们高度的关注，被世 的 65 亿倍，要给它“拍照”可不是件容易的事。黑洞是 界各国媒体争相报道，这便是黑洞的照片。多年以 种被极度压缩的宇宙天体，质量巨大连光都无法逃逸 来，人们只知道宇宙间有黑洞，却不知黑洞长什么 出来，也无法采用电磁波来拍摄。黑洞在宇宙间以极 样？没有影像资料，过去人们对黑洞的认识也只能靠 端的方式影响着周围的环境，使时空弯曲，物质围绕 科学家大概的描述。但是北京时间 2019 年 4 月 10 日 在它周围形成吸积盘，在吸积过程中物质高速旋转化 21 时，由多个国家科研人员组成的“事件视界望远镜” 成热能并发出强烈的辐射，而这辐射光便会被我们 （EHT）项目团队公布了人类首张黑洞照片，至此人们 捕捉到。所以确切的说这次拍摄的其实并不是黑洞 得见黑洞的面容。这项成果使得爱因斯坦的广义相 本身，而是辐射映衬下黑洞的轮廓。拍摄黑洞是个大 对论得到了首次试验验证，同时也为科学家研究宇宙 工程，是由多个国家的多个望远镜观测站共同完成 中最极端天体提供了新的方法。这张黑洞图像揭示 的，我国的国家天文台、紫金山天文台和上海天文台 了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87 中心的黑 也在其列，有来自全世界二百多位科学家参与了这个 洞，该黑洞距离我们地球有 5500 万光年，质量是太阳 项目。 29