破譯四夸克世界

奇異強子

迄今為止，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了80種粒子。除了著名的希格斯玻色子之外，其余的粒子都是強子。

1964年，蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）各自相互獨立地提出：強子（如質子和中子）并不是基本不可分的，而是由更基本的粒子——夸克組成。

由一個夸克和一個反夸克構成的粒子被稱為介子，由三個夸克構成的粒子被稱為重子。根據(jù)蓋爾曼和茨威格的預測，除了常見的二夸克和三夸克之外，強子家族還包含由四個或五個夸克組成的“奇異態(tài)”——這正是LHC最令人驚嘆的發(fā)現(xiàn)之一，它證實了由四個或五個夸克構成的奇異強子的存在。然而，物理學家仍然不確定這些奇異強子的內部結構究竟是什么樣的。

一些模型認為它們是緊密結合的四夸克或五夸克態(tài)，一些模型則將它們視為兩個標準強子之間的松散束縛態(tài)，還有一些模型認為它們可能同時具有這兩種特征。

四夸克的結構：左邊顯示的是四個夸克在強力的作用下束縛成一個整體；右邊顯示的是夸克兩兩配對形成兩個介子，再通過核力松散束縛在一起。（圖片素材/Nature）

在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，LHC的緊湊渺子線圈（CMS）合作組首次對三個全部由粲夸克組成的四夸克進行了量子數(shù)測量，揭示的結果更傾向于它們是緊密結合的四夸克態(tài)這一解釋。

測量全粲四夸克的量子數(shù)

夸克共有六種類型：上、下、粲、奇、頂、底。到目前為止，在LHC和其他對撞機上發(fā)現(xiàn)的四夸克和五夸克態(tài)，通常都包含一個粲夸克及其對應的反粲夸克，其余的兩到三個夸克一般是上、下或奇夸克（及它們的反夸克）。但近年來，科學家也發(fā)現(xiàn)了其他類型的組合。尋找并研究這些不同類型的四夸克與五夸克態(tài)，有助于物理學家更好地理解強力是如何把夸克束縛在一起的。

在2020到2024年間，LHC的三個不同實驗先后觀測到了全部由粲夸克組成的四夸克態(tài)。這些“全粲”四夸克是由兩個粲夸克與兩個粲反夸克構成，它們是在高能質子束對撞中產(chǎn)生的。相比由較輕夸克組成的同類粒子，“全粲四夸克”提供了一個更極端、但在理論上更易于控制的研究平臺，用于理解強力。

目前，在LHC觀測到的三個具有不同能量特征的全粲四夸克態(tài)，分別被命名為：X(6900)、X(6600)和X(7100)，括號中的數(shù)字表示它們的大致質量，單位MeV。其中，質量排名第二的X(6900)最早由LHCb合作組于2020年發(fā)現(xiàn)，隨后ATLAS與CMS合作組也分別獨立確認了它的存在。另外兩個則是由CMS實驗發(fā)現(xiàn)。

為了探測這些全粲四夸克的結構量子性質，研究團隊分析了CMS在第二次運行期間（2016–2018年）收集的數(shù)據(jù)。通過研究每個X粒子衰變?yōu)閮蓚€J/ψ粒子（J/ψ 由一個粲夸克–反粲夸克對組成），而每個J/ψ又進一步衰變?yōu)閮蓚€μ子，研究人員測量了三種量子數(shù)：

• 宇稱（

  P

  ）：決定一個粒子是否與其空間鏡像具有相同的性質；

• 電荷共軛（

  C

  ）：描述粒子是否與其對應的反粒子具有相同的性質；

• 總角動量（

  J

  ）：表示強子的總角動量。

對于這三種四夸克態(tài)，他們的結果顯示：

• P

• C

• J

  = 2

這一結果雖然未排除任何一種結構模型，但更支持緊密結合的四夸克態(tài)的解釋，同時也與先前理論計算一致。

奇異態(tài)的未來研究

夸克是標準模型的核心組成，標準模型是描述了基本粒子及其相互作用的理論。在此基礎上研究奇異強子，有望加深物理學家對強力的理解。反過來，這些知識不僅可以幫助解釋強子是如何在大爆炸后的數(shù)微秒內形成的，也有助于改進中子星結構模型，甚至能夠為物理學家尋找超越標準模型的新物理現(xiàn)象提供新的洞見。

隨著現(xiàn)有粒子加速器和相關實驗設施的升級、探測器性能提升、碰撞次數(shù)增加，未來將有望觀測到更多奇異態(tài)。此外，一些正在設計中的新設備將被專門用于產(chǎn)生奇異粒子，屆時，它們不僅能改進現(xiàn)有的實驗方法，還將探索產(chǎn)生奇異強子的全新途徑。

憑借下一代實驗，物理學家希望能探測到那些已經(jīng)被理論預測，但仍未被發(fā)現(xiàn)的奇異強子，并發(fā)展出更多能夠解析其結構的新方法。

#參考來源：

https://home.cern/news/news/physics/deciphering-heavyweights-tetraquark-world

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09711-7

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03591-7

#圖片來源：

封面圖&首圖：CERN