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CMS合作组世界首次发现全粲四夸克粒子家族,中国团队起主导作用

发布时间:2022-07-11 09:32:08  |  来源:清华大学物理系  |  作者:  |  责任编辑:澳门银河注册开户频道

2022年7月9日,在第41届国际高能物理大会(ICHEP2022)上,大型强子对撞机(LHC)实验上的CMS合作组报告了一个可能由四个粲夸克组成的奇特粒子家族的发现。由于这些粒子内部由同一重味夸克组成,物理图像相对简单而利于理解,为我们提供了一个新的窗口研究强相互作用。清华大学和南京师范大学的研究人员联合组成的“清华-南师”CMS组在这项研究中发挥了原创和主导作用。这是中国实验团队首次在LHC上观测到全粲四夸克粒子,也是中国首次在CMS实验上主导新粒子的发现。“清华-南师”CMS组负责人易凯教授代表CMS合作组报告了这一结果。

易凯代表CMS合作组在ICHEP2022报告研究结果(照片来源:娄辛丑)

基于2016~2018年采集的所有“质子-质子”对撞数据,CMS合作组在两个粲夸克偶素(J/ψ,夸克成分为粲夸克和反粲夸克)的不变质量谱中观测到了一个新的粒子家族,其中的每一个粒子可能由四个同味重夸克组成,这种由四个夸克组成的四夸克态被称为奇特强子,有别于由两个或者三个夸克组成的传统强子。该家族中的三个共振峰依据质量被暂时命名为X(6600)(显著度超过5个标准差)、X(6900)(显著度超过5个标准差)和X(7300)(显著度4.1倍标准差)。X(6600)和X(7300)粒子均是在世界上首次被观测到;X(6900)粒子存在的证据已在两年前被LHCb实验观测到,CMS的结果确认了X(6900)的存在。该研究成果将以《在13 TeV质子质子对撞产生的J/ψJ/ψ质量谱上观测到的新结构》(Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV)[1]为题于近期投稿。

J/ψJ/ψ质量谱,三个质量峰从左至右依次为X(6600),X(6900),X(7300)[1]

2013年,易凯在爱荷华大学CMS组根据CMS实验数据量大、缪子覆盖率宽和质量分辨率好的特点,针对2011年和2012年收集的对撞数据对J/ψJ/ψ质量谱进行了初步研究,在数据中看到的痕迹为之后确定盲分析的信号区间提供了基础。2019年易凯和胡震回国后在清华大学和南京师范大学组建了研究团队,两校研究人员依托清华大学加入了CMS实验联合组成“清华-南师”CMS组,并由南京师范大学物理澳门银河注册开户与技术学院教授、清华大学访问教授易凯担任负责人,清华大学物理系副教授胡震担任副负责人。“清华-南师”CMS组对2016年到2018年收集的数据在低质量多轻子末态进行全面系统的研究,并在这一分析中起到了主导作用。

CMS合作组由50多个国家、约240个单位的4000多名成员组成,其中,中国组成员来自中科院高能所、北京大学、中国澳门银河在线赌场大学、北京航空航天大学、清华大学、中山大学、浙江大学、复旦大学、南京师范大学等多个单位。近年来,中国CMS组在希格斯粒子性质测量和多玻色子研究等方面成绩突出,本次全粲四夸克态家族的发现进一步提升了中国在国际合作中的地位。

2020年6月,在由清华大学、南京师范大学和复旦大学主办的“低质量多轻子末态研讨会”上,来自国内各科研院所和高校等兄弟单位的粒子物理学家对全粲四夸克态进行了深入探讨,中国理论粒子学家对全粲四夸克态的计算和性质研究已经有了非常丰富的结果,为这一家族的存在提供了有利的理论依据,北京大学理论粒子物理学家赵光达院士在会上作了总结性发言。赵光达与全粲四夸克态家族有着很深的“渊源”。早在上世纪80年代,赵光达基于一种夸克-胶子模型(两个粲夸克和两个反粲夸克的组合形成的一种可能的结构)在世界上首次对全粲四夸克态家族进行了理论计算,预言了该家族的存在。

对于CMS实验的本次研究成果,赵光达院士评论道:“全粲四夸克态家族的发现对我们理解强相互作用有着十分重要的意义。在这个系统中,由于没有轻夸克组分,不太会形成‘常见’的通过交换轻介子而形成的分子态结构,从而给我们提供一个更为简单的、易于理解的物理图像。我十分高兴中国的实验粒子物理学家们在这项发现中起到了主导作用,希望在以后的工作中再接再厉。”

2007年樱井奖(J.J.Sakurai Prize)得主、斯坦福大学教授斯坦利·布罗斯基(Stanley Brodsky)对这一结果评论道:“新发现的双Jpsi强子家族开辟了四夸克态研究中一个重要的新领域,它们非常像是由两个自旋为1的双粲夸克对组成的四夸克束缚态,这与由两个介子组成的分子态有很大区别。”

美国布鲁克海文国家实验室副所长、D0实验前发言人德米特里·杰尼索夫(Dmitri Denisov)在ICHEP2022会议现场参加了该结果的报告和讨论,他认为:“理解强相互作用是粒子物理研究中最重要的问题之一,LHC上的CMS合作组发现的这些新共振态为更深入的理解基本粒子间的相互作用铺平了道路,期待未来有更多这样令人兴奋的发现!”

清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青认为:“在超越标准模型的新物理迟迟不能被实验确认的时代,多夸克态新粒子是推动粒子物理研究发展的重要前沿之一,中国人在其中起了重要的作用。”王青主任对该研究方向在清华高能中心的更深入发展与突破寄予厚望:“清华高能中心继2015年在LHCb实验上主导五夸克粒子的发现以及后续的不断发现之后,本次又在CMS实验上主导了全粲四夸克家族的发现,为我们在该领域的继续深入探索打下了坚实的基础,未来几年的研究非常令人期待。”

“这是首次在实验上观测到可能由纯重味夸克组成的奇特粒子家族。”易凯说,“该发现是奇特强子研究领域的重要突破。这个独特、容易理解的系统,可以帮助理论家为近20年来发现的几十个奇特强子建立最终模型。CMS探测器收集的数据量大,也有很好的质量分辨率,将会在这个方向做出更多的贡献。”

在这项研究中,“清华-南师”CMS组2019级博士生温宏伟在CMS合作组做了揭盲报告,博士后张敬庆、穆罕默德·阿玛德(Muhammad Ahmad)做了预审和终审报告;复旦大学沈成平团队的博士后高旭阳承担了大部分蒙特卡洛产生工作;中山大学本科生(已录取为清华大学2022级博士生)王晰宁参与了质量谱拟合、系统误差等工作。“清华-南师”CMS组的其他研究生和本科生共计十多人也参与了这项工作。

“清华-南师”CMS组的研究工作得到国家自然澳门银河注册开户基金、澳门银河在线赌场部、清华大学自主科研基金、清华大学物理系学科建设经费和南京师范大学启动经费等多方支持。此外,高能所CMS T2、清华CMS T3网格计算站点为项目顺利完成提供了必要的运算和存储资源。

(来源:清华大学物理系)