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CMS合作組世界首次發現全粲四夸克粒子家族,中國團隊起主導作用

發布時間:2022-07-11 09:32:08  |  來源:清華大學物理系  |  作者:  |  責任編輯:科學頻道

2022年7月9日,在第41屆國際高能物理大會(ICHEP2022)上,大型強子對撞機(LHC)實驗上的CMS合作組報告了一個可能由四個粲夸克組成的奇特粒子家族的發現。由于這些粒子內部由同一重味夸克組成,物理圖像相對簡單而利于理解,為我們提供了一個新的窗口研究強相互作用。清華大學和南京師范大學的研究人員聯合組成的“清華-南師”CMS組在這項研究中發揮了原創和主導作用。這是中國實驗團隊首次在LHC上觀測到全粲四夸克粒子,也是中國首次在CMS實驗上主導新粒子的發現?!扒迦A-南師”CMS組負責人易凱教授代表CMS合作組報告了這一結果。

易凱代表CMS合作組在ICHEP2022報告研究結果(照片來源:婁辛丑)

基于2016~2018年采集的所有“質子-質子”對撞數據,CMS合作組在兩個粲夸克偶素(J/ψ,夸克成分為粲夸克和反粲夸克)的不變質量譜中觀測到了一個新的粒子家族,其中的每一個粒子可能由四個同味重夸克組成,這種由四個夸克組成的四夸克態被稱為奇特強子,有別于由兩個或者三個夸克組成的傳統強子。該家族中的三個共振峰依據質量被暫時命名為X(6600)(顯著度超過5個標準差)、X(6900)(顯著度超過5個標準差)和X(7300)(顯著度4.1倍標準差)。X(6600)和X(7300)粒子均是在世界上首次被觀測到;X(6900)粒子存在的證據已在兩年前被LHCb實驗觀測到,CMS的結果確認了X(6900)的存在。該研究成果將以《在13 TeV質子質子對撞產生的J/ψJ/ψ質量譜上觀測到的新結構》(Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV)[1]為題于近期投稿。

J/ψJ/ψ質量譜,三個質量峰從左至右依次為X(6600),X(6900),X(7300)[1]

2013年,易凱在愛荷華大學CMS組根據CMS實驗數據量大、繆子覆蓋率寬和質量分辨率好的特點,針對2011年和2012年收集的對撞數據對J/ψJ/ψ質量譜進行了初步研究,在數據中看到的痕跡為之后確定盲分析的信號區間提供了基礎。2019年易凱和胡震回國后在清華大學和南京師范大學組建了研究團隊,兩校研究人員依托清華大學加入了CMS實驗聯合組成“清華-南師”CMS組,并由南京師范大學物理科學與技術學院教授、清華大學訪問教授易凱擔任負責人,清華大學物理系副教授胡震擔任副負責人?!扒迦A-南師”CMS組對2016年到2018年收集的數據在低質量多輕子末態進行全面系統的研究,并在這一分析中起到了主導作用。

CMS合作組由50多個國家、約240個單位的4000多名成員組成,其中,中國組成員來自中科院高能所、北京大學、中國科技大學、北京航空航天大學、清華大學、中山大學、浙江大學、復旦大學、南京師范大學等多個單位。近年來,中國CMS組在希格斯粒子性質測量和多玻色子研究等方面成績突出,本次全粲四夸克態家族的發現進一步提升了中國在國際合作中的地位。

2020年6月,在由清華大學、南京師范大學和復旦大學主辦的“低質量多輕子末態研討會”上,來自國內各科研院所和高校等兄弟單位的粒子物理學家對全粲四夸克態進行了深入探討,中國理論粒子學家對全粲四夸克態的計算和性質研究已經有了非常豐富的結果,為這一家族的存在提供了有利的理論依據,北京大學理論粒子物理學家趙光達院士在會上作了總結性發言。趙光達與全粲四夸克態家族有著很深的“淵源”。早在上世紀80年代,趙光達基于一種夸克-膠子模型(兩個粲夸克和兩個反粲夸克的組合形成的一種可能的結構)在世界上首次對全粲四夸克態家族進行了理論計算,預言了該家族的存在。

對于CMS實驗的本次研究成果,趙光達院士評論道:“全粲四夸克態家族的發現對我們理解強相互作用有著十分重要的意義。在這個系統中,由于沒有輕夸克組分,不太會形成‘常見’的通過交換輕介子而形成的分子態結構,從而給我們提供一個更為簡單的、易于理解的物理圖像。我十分高興中國的實驗粒子物理學家們在這項發現中起到了主導作用,希望在以后的工作中再接再厲?!?/p>

2007年櫻井獎(J.J.Sakurai Prize)得主、斯坦福大學教授斯坦利·布羅斯基(Stanley Brodsky)對這一結果評論道:“新發現的雙Jpsi強子家族開辟了四夸克態研究中一個重要的新領域,它們非常像是由兩個自旋為1的雙粲夸克對組成的四夸克束縛態,這與由兩個介子組成的分子態有很大區別?!?/p>

美國布魯克海文國家實驗室副所長、D0實驗前發言人德米特里·杰尼索夫(Dmitri Denisov)在ICHEP2022會議現場參加了該結果的報告和討論,他認為:“理解強相互作用是粒子物理研究中最重要的問題之一,LHC上的CMS合作組發現的這些新共振態為更深入的理解基本粒子間的相互作用鋪平了道路,期待未來有更多這樣令人興奮的發現!”

清華大學高能物理研究中心主任、物理系教授王青認為:“在超越標準模型的新物理遲遲不能被實驗確認的時代,多夸克態新粒子是推動粒子物理研究發展的重要前沿之一,中國人在其中起了重要的作用?!蓖跚嘀魅螌υ撗芯糠较蛟谇迦A高能中心的更深入發展與突破寄予厚望:“清華高能中心繼2015年在LHCb實驗上主導五夸克粒子的發現以及后續的不斷發現之后,本次又在CMS實驗上主導了全粲四夸克家族的發現,為我們在該領域的繼續深入探索打下了堅實的基礎,未來幾年的研究非常令人期待?!?/p>

“這是首次在實驗上觀測到可能由純重味夸克組成的奇特粒子家族?!币讋P說,“該發現是奇特強子研究領域的重要突破。這個獨特、容易理解的系統,可以幫助理論家為近20年來發現的幾十個奇特強子建立最終模型。CMS探測器收集的數據量大,也有很好的質量分辨率,將會在這個方向做出更多的貢獻?!?/p>

在這項研究中,“清華-南師”CMS組2019級博士生溫宏偉在CMS合作組做了揭盲報告,博士后張敬慶、穆罕默德·阿瑪德(Muhammad Ahmad)做了預審和終審報告;復旦大學沈成平團隊的博士后高旭陽承擔了大部分蒙特卡洛產生工作;中山大學本科生(已錄取為清華大學2022級博士生)王晰寧參與了質量譜擬合、系統誤差等工作?!扒迦A-南師”CMS組的其他研究生和本科生共計十多人也參與了這項工作。

“清華-南師”CMS組的研究工作得到國家自然科學基金、科技部、清華大學自主科研基金、清華大學物理系學科建設經費和南京師范大學啟動經費等多方支持。此外,高能所CMS T2、清華CMS T3網格計算站點為項目順利完成提供了必要的運算和存儲資源。

(來源:清華大學物理系)

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