破译四夸克世界

奇异强子

迄今为止，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经发现了80种粒子。除了著名的希格斯玻色子之外，其余的粒子都是强子。

1964年，盖尔曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）各自相互独立地提出：强子（如质子和中子）并不是基本不可分的，而是由更基本的粒子——夸克组成。

由一个夸克和一个反夸克构成的粒子被称为介子，由三个夸克构成的粒子被称为重子。根据盖尔曼和茨威格的预测，除了常见的二夸克和三夸克之外，强子家族还包含由四个或五个夸克组成的“奇异态”——这正是LHC最令人惊叹的发现之一，它证实了由四个或五个夸克构成的奇异强子的存在。然而，物理学家仍然不确定这些奇异强子的内部结构究竟是什么样的。

一些模型认为它们是紧密结合的四夸克或五夸克态，一些模型则将它们视为两个标准强子之间的松散束缚态，还有一些模型认为它们可能同时具有这两种特征。

四夸克的结构：左边显示的是四个夸克在强力的作用下束缚成一个整体；右边显示的是夸克两两配对形成两个介子，再通过核力松散束缚在一起。（图片素材/Nature）

在一项新发表于《自然》杂志的研究中，LHC的紧凑渺子线圈（CMS）合作组首次对三个全部由粲夸克组成的四夸克进行了量子数测量，揭示的结果更倾向于它们是紧密结合的四夸克态这一解释。

测量全粲四夸克的量子数

夸克共有六种类型：上、下、粲、奇、顶、底。到目前为止，在LHC和其他对撞机上发现的四夸克和五夸克态，通常都包含一个粲夸克及其对应的反粲夸克，其余的两到三个夸克一般是上、下或奇夸克（及它们的反夸克）。但近年来，科学家也发现了其他类型的组合。寻找并研究这些不同类型的四夸克与五夸克态，有助于物理学家更好地理解强力是如何把夸克束缚在一起的。

在2020到2024年间，LHC的三个不同实验先后观测到了全部由粲夸克组成的四夸克态。这些“全粲”四夸克是由两个粲夸克与两个粲反夸克构成，它们是在高能质子束对撞中产生的。相比由较轻夸克组成的同类粒子，“全粲四夸克”提供了一个更极端、但在理论上更易于控制的研究平台，用于理解强力。

目前，在LHC观测到的三个具有不同能量特征的全粲四夸克态，分别被命名为：X(6900)、X(6600)和X(7100)，括号中的数字表示它们的大致质量，单位MeV。其中，质量排名第二的X(6900)最早由LHCb合作组于2020年发现，随后ATLAS与CMS合作组也分别独立确认了它的存在。另外两个则是由CMS实验发现。

为了探测这些全粲四夸克的结构量子性质，研究团队分析了CMS在第二次运行期间（2016–2018年）收集的数据。通过研究每个X粒子衰变为两个J/ψ粒子（J/ψ 由一个粲夸克–反粲夸克对组成），而每个J/ψ又进一步衰变为两个μ子，研究人员测量了三种量子数：

• 宇称（

  P

  ）：决定一个粒子是否与其空间镜像具有相同的性质；

• 电荷共轭（

  C

  ）：描述粒子是否与其对应的反粒子具有相同的性质；

• 总角动量（

  J

  ）：表示强子的总角动量。

对于这三种四夸克态，他们的结果显示：

• P

• C

• J

  = 2

这一结果虽然未排除任何一种结构模型，但更支持紧密结合的四夸克态的解释，同时也与先前理论计算一致。

奇异态的未来研究

夸克是标准模型的核心组成，标准模型是描述了基本粒子及其相互作用的理论。在此基础上研究奇异强子，有望加深物理学家对强力的理解。反过来，这些知识不仅可以帮助解释强子是如何在大爆炸后的数微秒内形成的，也有助于改进中子星结构模型，甚至能够为物理学家寻找超越标准模型的新物理现象提供新的洞见。

随着现有粒子加速器和相关实验设施的升级、探测器性能提升、碰撞次数增加，未来将有望观测到更多奇异态。此外，一些正在设计中的新设备将被专门用于产生奇异粒子，届时，它们不仅能改进现有的实验方法，还将探索产生奇异强子的全新途径。

凭借下一代实验，物理学家希望能探测到那些已经被理论预测，但仍未被发现的奇异强子，并发展出更多能够解析其结构的新方法。

#参考来源：

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

#图片来源：

封面图&首图：CERN