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为什么四夸克态是在北京正负电子对撞机发现的?

【王纪委的回答(33票)】:

2013年北京国际合作组(BESIII)利用北京正负电子对撞机(BEPCII),发现了一个四夸克态候选者Zc(3900),该成果在当年被美国物理学会旗下的《物理》杂志评为国际物理领域重要成果之首。Physics - Notes from the Editors: Highlights of the Year

这个成果确实非常重要,但是,一方面Zc(3900)是不是真正的四夸克态,还有待进一步研究;另一方面,Zc(3900)并不是第一个四夸克态候选者。请听我慢慢道来。

我们知道,普通物质都是由分子或原子组成的;原子是由原子核和核外电子组成的,原子核的质量占据原子的绝大部分;原子核由质子和中子通过强相互作用束缚在一起;质子和中子都是由三个夸克组成的。

就我们目前的认识来说,粒子物理的标准模型告诉我们,夸克、轻子和传播子是我们世界的基本粒子。例如光子就是电磁相互作用的传播子,而电子属于轻子。夸克比较特殊,由于色禁闭,我们观察不到单个夸克,夸克总是以组合的形式出现。介子是由一个夸克和一个反夸克组成的,重子由三个夸克组成,例如质子和中子都属于重子。

对于高能物理实验来说,介子和重子都是实验中常见的粒子,一般没什么特别的。但是,量子色动力学并不禁止“四夸克态粒子”和“五夸克态粒子”的存在,如果这些奇异的粒子没有被发现,则说明我们的标准模型以及量子色动力学很有可能不那么正确。所以,很多物理学家一直致力于寻找这些不寻常的粒子。经过不懈地努力,几十年的追寻,苦苦地搬砖挖矿找啊找。

时间到了21世纪,终于找到了,最近的十几年来,找到了一大堆的候选者……井喷一样的发现啊。

第一个被发现的可能的四夸克态是X(3872),由位于日本的Belle国际合作组在2003年发现arxiv.org/abs/hep-ex/03, 13年来,这篇文章的引用次数达到1000+。

自2003年之后,其他的国际合作组陆陆续续发现各种候选者,例如下图就是由粲夸克偶素以及疑似粲夸克偶素的奇异粒子做出的图谱:

上图中,被命名为X, Y, Z的粒子们都是可能的四夸克态候选者……至于哪几个是真正的四夸克态,还有待进一步研究,这是科学研究的基础前沿,尚未有定论。

值得骄傲的是,在这些新粒子中,有一部分是由中国科学家主导的BESIII国际合作组发现的。那么Zc(3900)有何重要之处呢?

《物理》杂志网站对Zc(3900)的评语如下:

“以前的实验表明,基本粒子一般由两个或三个夸克组成。今年夏天,在中国的北京谱仪III(BESIII)和在日本的Belle合作组报道,在高能正负电子对撞中发现了一个‘神秘粒子’,其中含有四个夸克。虽然人们对这个被称为Zc(3900)的粒子的性质有多种解释,但‘四夸克态’的解释得到更多关注。BESIII之后又发现了一系列含四个夸克的粒子。”
有报道则提到:

Zc(3900)因为其中含有一对正反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷,提示其中至少含有四个夸克,极有可能是科学家们长期寻找的介子分子态或四夸克态。

Zc(3900)的发现引发了实验和理论研究的热潮,并提出了一系列亟待回答的问题:Zc(3900)到底是什么粒子,它的自旋-宇称量子数是什么,还有什么其他衰变模式,是否存在与Zc(3900)性质相同的伴随态,等等。BESIII的实验结果表明Zc(3900)与此前发现的X(3872)、Y(4260)等粒子之间可能存在着实质性的关联,应当放在统一的框架内进行理论研究,探索它们的性质。

新粒子被一个合作组发现之后,一般需要其他合作组去验证,才能确凿证实。验证的时间一般要几个月甚至几年,而Zc(3900)被中国的BESIII发现之后,第二天就被日本的Belle证实了。为啥?

因为Zc(3900)在BESIII的发现者和在Belle的发现者,是同一群人……高能粒子物理实验的研究团队一般都很大,有来自世界各国的参与者,中国科学家既参与了本国的BESIII,又参与了日本的Belle,然后在两个合作组的实验数据中同时发现了Zc(3900),当然选择先把本国的文章投出去。

(正文完)

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关于北京正负电子对撞机(BEPC)

这台加速器确实是比较老的机器,但并不因为老就落伍。它1989年最初建成,2008年进行了升级改造,成为工作在粲物理能区的最好的加速器,硬生生把美国的CLEO-c搞得倒闭了。中国目前在粲物理领域处于世界领先的地位,研究粲物理的各国科学家几乎都聚集在中国。

对撞机的能量不一定是越高越好,取决于你的研究目的。量子色动力学的微扰计算在高能量(TeV量级)下,理论和实验符合得很好,而在粲物理能区(2~4GeV量级),由于粒子处于非微扰的状态,微扰的方法失效了,粲物理的理论也不成熟,粒子的各种性质需要使用各种唯像模型去凑,这使粲物理保持着它的重要研究价值,还有许多问题没搞清楚。

在TeV量级的高能区域,例如LHC,可以研究Higgs和超对称;在GeV量级的低能区域,例如BEPC,可以研究强子谱和奇异夸克态。各有所求,各取所需。

中国的高能物理实验研究真正的崛起来自于北京正负电子对撞机,中国最初的高能物理人才几乎都来自于此。不过,北京正负电子对撞机真的老啦,去年因为探测器老化,停机了好长一段时间,好不容易换了新的零件,它的设计者谢家麟老先生上个月刚刚去世。

我估计十年之内这个对撞机就要关机被当作废铁卖了。到时候中国好不容易拉起来的研究队伍该何去何从?我们需要建一个新的对撞机,吸引世界各国的科学家为中国打造一个世界科学中心:

LHC(大型强子对撞机)可能的后继者(计划)有哪些? - 知乎用户的回答

一个亿,应该用来拍一部电影,还是拿去找希格斯粒子这样的未知粒子? - 知乎用户的回答

如何看待环形正负电子对撞机 CEPC 项目? - 知乎用户的回答

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