漫谈五夸克态的研究与进展

清华大学 张黎明

在粒子物理标准模型中,强相互作用由量子色动力学(QCD)描述。尽管QCD在高能标下的渐进自由特性已经得到大量实验验证,但人们对QCD在低能标下的非微扰特性仍然知之甚少,而强相互作用的夸克禁闭现象长期以来一直是世界难题。

强子谱学是理解强相互作用的重要手段。五夸克态作为奇特强子态具有丰富的内部结构,为研究强相互作用提供了独特的平台。自2015年大型强子对撞机上的底夸克(LHCb)实验首次发现五夸克态以来,关于五夸克态的理论和实验研究相互促进,均得到了快速发展。那么,LHCb实验在五夸克态研究中取得了哪些进展?未来LHCb实验还将为五夸克态研究带来哪些机遇?

五夸克态成研究热点

1973年,QCD理论建立,距今已逾50年。QCD具有渐进自由的特性,即强相互作用的耦合常数随着能标的增大而减小。QCD在高能标下的渐进自由特性已被大量实验结果验证,此能标下的物理量可以通过微扰展开计算得到;然而在低能标下微扰展开不再适用,物理量只能通过有效模型或格点QCD计算得到。理解QCD在非微扰区的性质是当前粒子物理学的重要课题。它有助于解开夸克是如何形成强子的谜题,进而理解夸克禁闭的本质。

强子是夸克和胶子在强相互作用下形成的束缚态,分为介子和重子两大类。对强子谱学的研究是理解强相互作用的重要手段。

1964年提出的夸克模型,认为强子是由更基本的夸克(q)构成的。目前已知的夸克有六种:上夸克(u)、下夸克 (d)、奇异夸克(s)、粲夸克(c)、底夸克(b)和顶夸克 (t)。

可能的五夸克态的内部构成:松散结合分子态(左)紧密结合紧致态(右)

根据夸克模型,常规重子(例如质子和中子)由三个夸克构成;常规介子由一个正和一个反夸克构成。 夸克模型在提出时就预言存在更为复杂的强子态——多夸克态,如夸克组分为qqq̄q̄的介子和夸克组分为qqqqq̄的重子。

除常规强子之外的所有强子统称为奇特强子。相比于常规强子,奇特强子具有更丰富的内部结构,为理解强相互作用提供了新的平台。五夸克态是最简单的奇特重子,它可能是五个夸克被紧密束缚的紧致结构,也可能是由重子和介子结合成类似"分子态”的结构。自夸克模型提出以来,五夸克态一直是理论与实验研究的热点。

五夸克态研究的实验转折点出现在2015年——LHCb 实验发现了隐粲五夸克态。 这一发现促进了五夸克态的理论和实验研究的快速发展。

发现五夸克态

2015年,LHCb 实验在衰变过程中首次观测到与夸克成分为cc̄uud的隐粲五夸克态相符的共振结构。观测显示存在一个结构较宽和一个较窄的共振峰。2019年,LHCb实验利用近十倍的数据,在同一个衰变道中观测到更精细的结构:原先看到的较窄的共振态是由两个质量极为接近、宽度更窄的共振态叠加而成;此外,还发现了一个质量较低的新的窄峰。

新观测到的五夸克态宽度都很窄,这一特征与"分子态”模型中预测的松散束缚型五夸克态相符。值得强调的是,这些态在 LHCb 实验2015年的发现之前就被理论预言了,并且主要是由中国理论学家完成。

尽管如此,目前仍然不能完全排除其他解释。例如,将这些新的窄五夸克态解释为紧密束缚型五夸克态。然而,这一解释也面临重要挑战,为什么这些态的质量与特定的强子对阈值一致?

根据 SU(3) 味道对称性,人们预期存在奇异隐粲五夸克态。利用最新的实验结果,分子态模型预言了很多阈值附近的奇异隐粲五夸克态。2021年实验上首次观察到了奇异隐粲五夸克态存在的迹象。两年后,在另外一个过程中首次观测到最小夸克组分为cc̄uds的奇异隐粲五夸克态。

更多数据支撑未来探索

LHCb实验首次在大统计量数据中以很高的显着性水平发现五夸克态。这主要得益于两方面原因:一是LHC的质子-质子对撞能产生大量底重子;二是LHCb探测器具有高效的粒子识别系统和优秀的质量分辨能力,能够高效且正确的重建这些产生的底重子事例。

迄今为止,实验已经观测到几个隐粲五夸克态候选者,隐粲五夸克态家族初步呈现。它们展现了显着的特性:共振宽度极窄,位于粲重子与反粲介子质量阈值之下或非常靠近,鲜明地展现了"分子”型五夸克态特征。这些发现为进一步探索五夸克态的内部结构提供了关键线索。

到目前为止,已知的五夸克态仅观测到一种衰变过程,寻找更多衰变过程将帮助我们理解五夸克态的内部结构。如果能建立起隐粲五夸克态和奇异隐粲五夸克态的直接联系,系统性研究这两类隐粲五夸克态,也可以帮助解析它们的内部结构。

为了更好的了解五夸克态的全貌,需要去寻找不同夸克类型的五夸克态,如含粲、双粲五夸克态等。显然,这些研究的深入推进有赖于更大统计量的数据。LHCb实验预计在未来十年内将累积约50 fb-1积分亮度的数据,且在2033年进行第二阶段升级之后,将总数据量进一步提升至300 fb-1。这一数据规模将极大地促进强子谱的研究,并为五夸克态的系统研究提供强大的科研平台和数据支撑。

作者简介

张黎明,清华大学工程物理系长聘副教授,现任清华大学粒子物理LHCb团队负责人。2006年获博士学位,期间以第一作者发表4篇高水平论文,在中性D介子混合领域取得早期突破。2006年赴美国雪城大学从事博士后研究,加入Sheldon Stone教授团队,成为味物理研究核心成员,合作发表23篇论文,并主导完成LHCb实验建成后的首批3篇论文。

2014年入选青年人才计划加入清华大学,任LHCb实验组骨干。2015年与合作者发现五夸克态,为核心分析人,首次提出并证实峰状结构为新粒子信号,成果引发国际关注。此后主导多项强子结构研究:发现五夸克态精细结构、奇异隐粲五夸克态证据、四夸克态Zcs(4000)+/Zcs(4220)+、X(3960)共振结构,以及粲介子D_s0(2590)+和底重子Ξ_b(6327/6333)^0等新激发态,多发表于《物理评论快报》。

在CP破坏领域,创新方法将φ_s测量精度提升30%,保持LHCb国际领先地位。其研究助力LHC实验获2025年基础物理突破奖,表彰"新强子发现与物质-反物质不对称性探索”等成果。