從清華大學獲悉，近日在意大利舉行的第41屆國際高能物理大會上，歐洲核子研究中心大型強子對撞機（LHC）的緊湊型繆子螺線管探測器（CMS）合作組報告，他們發現了一個可能由四個粲夸克組成的奇特粒子家族。中國CMS組的易凱教授代表CMS合作組報告了這一結果，清華大學和南京師范大學的研究人員聯合組成的“清華-南師”CMS組在這項研究中發揮了原創和主導作用。

“由於這些粒子內部由同一重味夸克組成，物理圖像相對簡單而易於理解，為我們研究強相互作用提供了一個新的窗口。”易凱介紹，這是中國實驗團隊首次在LHC上觀測到全粲四夸克粒子，也是中國首次在CMS實驗上主導新粒子的發現。

在粒子物理標准模型框架下，物質世界的基本粒子有夸克、輕子等。兩個夸克或三個夸克分別組成了傳統的介子和重子，統稱為“傳統”強子。除此之外的強子，比如由四個甚至五個夸克組成的，或者含有膠子成分的，叫作“奇特”強子。

理論學家在數十年前已預測到傳統的強子和奇特強子態的存在，然而直到最近20年，科學家才在實驗上觀察到較為明確的四夸克態或五夸克態奇特強子。早期發現的可能的奇特強子僅包括一些較輕的介子，而2003年BELLE合作組發現的可能奇特介子X(3872)掀起了近20年世界上對“重味”奇特強子研究的熱潮，並成為高能物理的長期熱點之一。之后中國BESIII合作組發現的帶電奇特強子Zc(3900)+等則確認了該類奇特強子不同於傳統粲偶素的奇特性——帶電性，並把重味奇特強子的研究進一步推向了高潮。

但奇特強子的實驗研究經常充滿曲折。如X(4140)粒子，2009年CDF實驗發現之后，又被其他實驗否定，直至2017年LHCb以更大的統計量重新確認其存在，歷時8年才最終得到大家認可。再如五夸克態，盡管本世紀初就在多個實驗中初見端倪（后經驗証均為統計波動），僅有2015年LHCb發現的五夸克態最先得到廣泛認可，並入選當年世界物理十大突破。

“此前還沒有發現過全部可能由純重味夸克組成的奇特強子家族，即粲夸克或底夸克組成的奇特粒子。”易凱說。

2013年，易凱在愛荷華大學CMS組根據CMS實驗數據量大、繆子覆蓋率寬和質量分辨率好的特點，利用2011年至2012年收集的對撞數據對J/ψJ/ψ質量譜進行了初步研究。2019年，南京師范大學物理科學與技術學院教授、清華大學訪問教授易凱和清華大學物理系副教授胡震在清華大學和南京師范大學組建了研究團隊，兩校研究人員依托清華大學加入了CMS實驗，聯合組成“清華-南師”CMS組，並由易凱擔任負責人，胡震擔任副負責人。“清華-南師”CMS組對2016年至2018年收集的數據在低質量多輕子末態進行了全面系統的研究。

基於2016年至2018年採集的所有“質子-質子”對撞數據，CMS合作組觀測到了全粲四夸克粒子家族（一組由同味重夸克組成的奇特強子），“清華-南師”CMS組在這一發現中起到了主導作用。該家族中的三個共振峰依據質量被命名為X(6600)、X(6900)和X(7300)，其中X(6600)和X(7300)粒子均是世界上首次被觀測到﹔X(6900)粒子存在的証據已在兩年前被LHCb實驗觀測到，CMS的結果確認了X(6900)的存在。易凱表示，該發現是奇特強子研究領域的重要突破：“這個獨特、容易理解的系統，可以幫助理論家為近20年發現的幾十個奇特強子建立最終模型。”

對於CMS實驗的本次研究成果，中科院院士、北京大學理論粒子物理學家趙光達評論：“全粲四夸克態家族的發現對我們理解強相互作用有著十分重要的意義。在這個系統中，由於沒有輕夸克組分，不太會形成‘常見’的通過交換輕介子而形成的分子態結構，從而給我們提供一個更為簡單、易於理解的物理圖像。我十分高興中國的實驗粒子物理學家們在這項發現中起到了主導作用，希望在以后的工作中再接再厲。”

美國布魯克海文國家實驗室副所長、D0實驗前發言人德米特裡·杰尼索夫在會議現場參加了該結果的報告和討論，他認為：“理解強相互作用是粒子物理研究中最重要的問題之一，LHC上的CMS合作組發現的這些新共振態為更深入地理解基本粒子間的相互作用鋪平了道路，期待未來有更多這樣令人興奮的發現！”

CMS合作組由50多個國家、約240個單位的4000多名成員組成。其中，中國組成員來自中科院高能所、北京大學、中國科技大學、北京航空航天大學、清華大學、中山大學、浙江大學、復旦大學、南京師范大學等多個單位。近年來，中國CMS組在希格斯粒子性質測量和多玻色子研究等方面成績突出，本次全粲四夸克態家族的發現進一步提升了中國組在國際合作中的地位。

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