北京正負電子對撞機撞出了什么新奇發(fā)現(xiàn)？

如果你以為“對撞機”只是把粒子撞得粉身碎骨，那你就小看它了！坐落在北京西郊的北京正負電子對撞機（BEPC），不僅是中國第一臺大科學(xué)裝置，更是世界τ-粲能區(qū)的“霸主”。在它那看似冰冷的環(huán)形隧道里，一次次微觀“爆炸”正悄悄改寫我們對宇宙基本構(gòu)成的認知。今天，就讓我們盤點它近年來撞出的幾件“新奇發(fā)現(xiàn)”——每一樣都足以讓粒子物理學(xué)家興奮地睡不著覺。

膠球：由膠子自己粘成的粒子

標準模型曾預(yù)言，傳播強相互作用的膠子不僅能“粘”住夸克，還能彼此吸引，形成一種純由膠子構(gòu)成的全新粒子——膠球。但40多年來，它始終神龍見首不見尾。

2024年，BEPC與北京譜儀（BESⅢ）合作首次在100億個J/ψ粒子衰變的大海中，精準觀測得一種新粒子——X(2370)。這是實驗上首次觀測到與理論計算的贗標量膠球質(zhì)量、產(chǎn)生和衰變性質(zhì)一致的粒子。其自旋宇稱量子數(shù)為0??，與理論預(yù)測的贗標量膠球完全吻合。這是迄今膠球存在的最強實驗證據(jù)，也為標準模型補上了“缺失的拼圖”。

四夸克粒子：Zc(3900)——“夸克四重奏”

傳統(tǒng)教科書告訴我們：介子=1個夸克+1個反夸克。2013年，BEPC卻撞出了一個帶電的Zc(3900)，內(nèi)部至少塞下兩對正反粲夸克。它像一支四重奏樂隊，卻和諧地共存在一個粒子體內(nèi)。

該發(fā)現(xiàn)立刻被《自然》頭條報道，并入選2013年度“中國科學(xué)十大進展”；美國Physics雜志更將其列為當(dāng)年全球物理學(xué)11項重大突破之首。隨后，BESⅢ又捕捉到它的“堂兄Zc(4020)”，讓“多夸克態(tài)”成為國際高能物理最火熱的關(guān)鍵詞之一。

超子極化：微觀世界的“自旋陀螺”

你可能沒聽過Λ超子（蘭布達超子），但它卻是研究物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的利器。超子，或稱奇異重子，是含奇異夸克的重子。Λ超子是質(zhì)量最小的超子，最早于20世紀40年代末在宇宙線實驗中被發(fā)現(xiàn)，因質(zhì)量比核子重而得名。2019年，BESⅢ利用13億J/ψ衰變，從43萬個J/ψ衰變產(chǎn)出正反超子的事例中首次觀測到超子存在高達25%的橫向極化度。這意味著在大量超子樣本中，約25%的超子自旋方向呈現(xiàn)出統(tǒng)計性偏向，這種偏向在經(jīng)典物理中是難以想象的，但在量子世界中卻是真實存在的。

更酷的是，這種極化讓科學(xué)家把正反Λ衰變參數(shù)的測量精度提高到1.3%，一舉發(fā)現(xiàn)過去40年沿用的Λ衰變參數(shù)一直被低估了17%，為尋找宇宙物質(zhì)-反物質(zhì)失衡的根源提供了全新實驗探針。

質(zhì)子-反質(zhì)子“分子”：X(1880)的曖昧束縛

2024年，BESⅢ新發(fā)現(xiàn)一個質(zhì)量為1882 MeV的共振結(jié)構(gòu)X(1880)。它的質(zhì)量略重于一個質(zhì)子加一個反質(zhì)子，卻表現(xiàn)出強烈的相互吸引。理論家猜測，這可能是一個質(zhì)子-反質(zhì)子束縛態(tài)——就像微觀世界里的氫分子，只不過“電子”被“反質(zhì)子”替代。若被證實，將刷新我們對核子間強相互作用的認識。

精確“稱重”τ輕子：給標準模型做體檢

τ輕子是標準模型里最重的輕子，其質(zhì)量一直是檢驗輕子普適性的試金石。BEPC在20世紀便給出全球最精確的τ質(zhì)量數(shù)據(jù)，精度比原來提高了10倍，被認為是當(dāng)年國際高能物理領(lǐng)域最重要的成果之一，更新了粒子物理學(xué)數(shù)據(jù)權(quán)威《粒子數(shù)據(jù)手冊》，并保持了20多年的領(lǐng)先地位。

結(jié)語：小對撞機，大宇宙

從膠球到四夸克，從τ輕子到膠子，BEPC用一次次“猛烈”的對撞，把宇宙最深層的秘密帶到我們面前。未來，隨著亮度再提升100倍的BEPCⅡ全面運行，更多新奇粒子與未知現(xiàn)象有望在這片“微觀宇宙”里現(xiàn)身。誰說小裝置撞不出大新聞？北京正負電子對撞機，正在用實力回答。

參考文獻：

[1] M. Ablikim, M.?N. Achasov, P. Adlarson and etal.,Determination of Spin-Parity Quantum Numbers of (2370) as from /→′Phys. Rev.Lett.132(2024)181901.

[2] M. Ablikim, M.N. Achasov, X.C. Ai and etal.,Observation of a Charged Charmoniumlike Structure in →J/ψ at =4.26 GeV,Phys. Rev.Lett.110(2013)252001.

[3] The BESIII Collaboration, Polarization and entanglement in baryon–antibaryon pair production in electron–positron annihilation, Nat. Phys. 15, (2019)631-634.

[4] M. Ablikim, M.?N. Achasov, P. Adlarson and etal.,Observation of the Anomalous Shape of (1840) in /→3() Indicating a Second Resonance Near Threshold,Phys.Rev.Lett. 132,(2024)151901.

[5] 李金，我為BEPC/BES的成功點贊——紀念BEPC對撞成功30年，現(xiàn)代物理知識，30（2018）13-15.

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學(xué)科普主管、中國科普作家協(xié)會會員）

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