前沿| LHCb实验组发布五夸克态存在新迹象

近日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的底夸克（LHCb）实验在Science Bulletin杂志上发表了五夸克态的最新研究结果[1]。基于2011~2018年采集的所有数据，LHCb实验在衰变中观测到一个全新的共振结构。这个共振结构的信号显著性水平为3.1倍标准差，质量约为质子质量的4.5倍，性质与包含奇异夸克的隐粲五夸克态相符，所以被称为P_cs粒子。该结果是自2015年以来，首次在以外的过程中发现的五夸克态存在迹象。这一方面是对五夸克态存在的又一次验证，另一方面，实验上观测到的P_cs性质，尤其是其质量峰的近阈特性，与P_c的研究结果遥相呼应，为五夸克态的理论解释提出了更丰富的信息，并预示一个庞大而精彩的五夸克态家族正在浮出水面。

在粒子物理学的标准模型中，“夸克”是物质世界的最小组成单元之一。它们依靠自然界四种基本力中最强的强相互作用结合在一起，形成各种强子，其中包括我们熟知的质子和中子。高能粒子对撞实验可以产生大量自然界中无法稳定存在的各种强子。科学家通过研究它们的性质，可以找到破解自然界基本规律的密码。强子可以分为介子和重子两大类。常见的介子由一对正反夸克组成，常见的重子由三个夸克组成，它们被称作常规强子态。除此之外，自然界中还存在“奇特强子态”，例如四夸克态和五夸克态。它们的内部结构更复杂，可能携带破解强相互作用规律的独特信息。物理学家从上世纪六十年代就开始寻找五夸克态，直到2015年才由LHCb实验获得确切的实验证据。LHCb于2015年利用衰变过程，发现了两个性质与五夸克态相符的共振态结构P_c，并在2019年利用更大的数据集观测到了全新的窄五夸克态结构。这些发现点燃了物理学家对五夸克态研究的热情，相关的理论和实验工作成为粒子物理研究的一大热点。

五夸克态的相关研究对于准确理解强相互作用在低能区的性质有着重要的意义。在粒子物理的标准模型中，强相互作用由量子色动力学（QCD）描述，而QCD在低能区所表现出的非微扰特性，使得从第一性原理出发的理论计算非常困难。五夸克态作为一种全新的强子态，有希望开拓出崭新的研究平台，用以验证基于QCD基本思想的有效理论以及格点计算等方法对低能区强相互作用的描述精度。

LHCb实验致力于精确测量含粲夸克和底夸克粒子的性质，其主要物理目标是探索宇宙中正反物质不对称之谜、在稀有衰变中寻找新物理的间接证据和研究强相互作用的性质等。LHCb合作组由来自世界各地的1400多名科研人员组成。在LHCb探测器及其升级项目的设计与建造中，LHCb中国组在触发电子学和闪烁光纤径迹探测器方面做出了重要贡献。此次关于新五夸克态P_cs的存在证据，由LHCb合作组共同完成，清华大学和武汉大学主导了相关的分析工作。按照高能物理学界的惯例，论文由合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划资助，以及清华大学自主科研计划和“双一流”学科建设项目的经费支持。

研究成果激起了国内外高能物理理论家的浓厚兴趣。为了阐明它的科学价值，编辑部特别邀请了三位奇特强子态研究的专家对这一实验结果作出评论。以色列特拉维夫大学物理与天文学院的Marek Karliner教授和美国芝加哥大学费米研究所的Jonathan L. Rosner教授，合著了一篇题为“衰变末态中的奇异五夸克态与超子激发态”的评论文章[2]。这篇评论文章总结了LHCb实验的五夸克态研究结果，并对新发现的质量谱可能含有的双峰结构与之前在质量谱上观测到的双峰结构进行了对比和理论阐释，同时也简要提及了本次研究中发现的两个超子激发态与实验上可能进一步开展的相关研究。在对五夸克态构成的理论诠释中，两位教授更倾向于分子态解释。无独有偶，中国科学院理论物理研究所的邹冰松研究员在评论文章“构建强子分子态的五夸克态谱学”[3]中，也倾向于五夸克态结构的强子分子态解释。在这篇评论文章中，邹冰松研究员回顾了实验上寻找五夸克态的漫长历史，展望了五夸克态可能拥有的丰富谱学，并阐述了五夸克态研究对于理解强子谱学的重要意义。

[1] LHCb Collaboration. Evidence of a  structure and observation of excited  states in the   decay. Science Bulletin 2021; 66(13):1278–1287, doi:10.1016/j.scib.2021.02.030

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2095927321001717

[2] Marek Karliner, Jonathan L. Rosner. Strange pentaquarks and excited  hyperons in  final states. Science Bulletin 2021,66(13):1256–1257, doi: 10.1016/j.scib.2021.04.013

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321002723

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321002826

免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。