清華大學(xué)研究團隊在五夸克態(tài)發(fā)現(xiàn)中做出重要貢獻(xiàn)
清華新聞網(wǎng)7月14日電 北京時間7月14日，歐洲核子研究中心（European Organization of Nuclear Research）大型強子對撞機上底夸克物理實驗（Large Hadron Collider beauty Experiment，LHCb）宣布觀測到由五夸克組成的重子態(tài)，歐洲核子研究中心專門對此進行了新聞發(fā)布。清華大學(xué)工程物理系教授高原寧、副教授張黎明和楊振偉等組成的研究團隊在這項發(fā)現(xiàn)中有突出貢獻(xiàn)。
清華成員（左起：高原寧、張黎明、楊振偉）在探討五夸克態(tài)產(chǎn)生和衰變機制。
1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出“夸克模型”，認(rèn)為質(zhì)子和中子不是基本粒子，而是由三個夸克組成的，這類粒子統(tǒng)稱為重子，另外一類被稱為介子的粒子則是由一對正反夸克組成的。“夸克模型”的建立使人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識達(dá)到了全新的高度，蓋爾曼因此于1969年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。除了已知類型的重子和介子，蓋爾曼在論文中還提到了可能存在奇特類型的粒子，如在介子或重子中加入一對正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。
在底重子到粲夸克偶素、質(zhì)子和K介子的衰變過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)粲夸克偶素與質(zhì)子組合的不變質(zhì)量譜中存在明顯的增強結(jié)構(gòu)。進一步的分析表明，需要兩個共振態(tài)才能很好地描述這個增強結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，分別命名為Pc(4450)和Pc(4380)。由于這兩個共振態(tài)通過強作用衰變到粲夸克偶素和質(zhì)子，所以它們至少由五個夸克組成。
（上圖）底重子衰變中粲夸克偶素和質(zhì)子組合的不變質(zhì)量譜。紅色點是實驗數(shù)據(jù)，黑色分布和紫色分布是兩個五夸克態(tài)成分。
（下圖）底重子衰變到五夸克態(tài)的費曼圖。
對于五個夸克如何構(gòu)成奇特重子這個非常令人感興趣的問題，“一種觀點認(rèn)為五個夸克構(gòu)成緊密的統(tǒng)一體，另一種觀點則認(rèn)為這是由一個重子和一個介子相互作用構(gòu)成的類似于分子的結(jié)構(gòu)，”張黎明指出，“目前還無法確定哪種觀點正確，我們正在進行更深入的實驗研究。”
五夸克態(tài)的兩種可能解釋。左圖示意緊密型五夸克態(tài)，右圖示意分子型五夸克態(tài)。
LHCb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，合作組由來自16個國家68個單位的1133名成員組成。在2011-2012年間，LHCb實驗獲取了大量質(zhì)子對撞數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表了260多篇學(xué)術(shù)論文。“這是LHCb實驗在強子譜研究上最激動人心的結(jié)果。”楊振偉表示。他目前是LHCb實驗“底強子與夸克偶素（B-hadron and Quarkonia）”物理工作組的召集人，這項研究就是在該工作組完成的。
2000年LHCb國際合作組接受清華大學(xué)為正式成員，標(biāo)志著清華大學(xué)粒子物理實驗學(xué)科的開始。目前LHCb中國組由清華大學(xué)、華中師范大學(xué)和中國科學(xué)院大學(xué)的研究人員組成，近年來研究成績突出，在LHCb實驗的八個物理課題工作組中，中國組成員擔(dān)任了兩個工作組的召集人。“通過參加大型國際合作，我們可以在國際最高水平的科學(xué)裝置上從事前沿課題研究。”LHCb中國組負(fù)責(zé)人高原寧教授高度評價國際合作對學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)的重要性：“在國際合作組中，國際上最高水平的專家和學(xué)生一起工作，共同探索物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和相互作用，不斷促進人類對自然界本質(zhì)的認(rèn)識。”十五年來，LHCb國際合作得到了國家自然科學(xué)基金和清華自主科研基金的持續(xù)支持，對清華粒子物理實驗學(xué)科的建立和發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。
這項研究工作是以清華大學(xué)與美國雪城大學(xué)（Syracuse University）的研究人員為主，由LHCb國際合作組完成的。按高能物理國際合作慣例，論文由全體成員署名，按作者姓氏的英文字母次序排序。
論文鏈接：http://arxiv.org/abs/1507.03414。
歐洲核子研究中心新聞發(fā)布鏈接：http://press.web.cern.ch
LHCb國際合作網(wǎng)站鏈接：http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
供稿：工物系 編輯：襄樺
