清華新聞網(wǎng)12月12日電 近日，CMS實(shí)驗(yàn)在全粲四夸克態(tài)家族自旋宇稱(chēng)的研究方面取得重要進(jìn)展，清華大學(xué)物理系CMS（緊湊繆子螺線(xiàn)管）團(tuán)隊(duì)作出突出貢獻(xiàn)，其中清華大學(xué)物理系教授王青和南京師范大學(xué)教授、清華大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)教授易凱共同指導(dǎo)的博士生王晰寧在全粲四夸克態(tài)家族自旋宇稱(chēng)的測(cè)量中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
圖1.奇異強(qiáng)子家族的“光譜山景”。本圖將J/ψ J/ψ質(zhì)量譜形象地勾勒為一座擁有三座主峰的山脈，峰巒之間存在著量子干涉現(xiàn)象，其中每峰對(duì)應(yīng)一種可能的雙夸克-反雙夸克四夸克態(tài)
歐洲核子研究中心LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）上的CMS實(shí)驗(yàn)2022年報(bào)告了三個(gè)共振結(jié)構(gòu)：X(6600)、X(6900)和X(7100)，此結(jié)果2024年發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Phys.Rev. Lett.），并于2025年在更高統(tǒng)計(jì)量的新數(shù)據(jù)中得到確認(rèn)。這三個(gè)結(jié)構(gòu)被解釋為由四個(gè)粲夸克組成的奇特四夸克態(tài)的候選者，它們作為一種潛在的新強(qiáng)子物質(zhì)形態(tài)，引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。此外，CMS發(fā)現(xiàn)這三個(gè)結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出量子干涉的現(xiàn)象，要求它們具有相同的量子特性，這也揭示了這些粒子態(tài)很可能來(lái)源于同一個(gè)四夸克態(tài)家族。這個(gè)三重態(tài)為探索奇特強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了重要的線(xiàn)索，也為研究強(qiáng)相互作用的理論—量子色動(dòng)力學(xué)提供了一個(gè)新的體系。為了理解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，易凱教授組建了分析團(tuán)隊(duì)，基于2016至2018年采集的CMS數(shù)據(jù)，對(duì)它們開(kāi)展了自旋宇稱(chēng)的測(cè)量。研究采用了曾用于希格斯玻色子研究的角分析技術(shù)，確定它們的宇稱(chēng)和電荷共軛量子數(shù)均為正（P = C = +1）。在自旋方面，數(shù)據(jù)與自旋為2的假設(shè)相符（圖2），而自旋為0和1的可能性則分別在95%和99%的置信水平下被排除。自旋為2的粒子在自然界中比較罕見(jiàn)，這是在所有顯著度超過(guò)5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的奇特強(qiáng)子中，首個(gè)及首批被測(cè)得自旋為2的奇特強(qiáng)子。該測(cè)量結(jié)果與內(nèi)部結(jié)構(gòu)為雙夸克-反雙夸克的模型（即[cc]-[c?c?]）一致：兩個(gè)粲夸克構(gòu)成的雙夸克與其反粒子均處于自旋為1的狀態(tài)，且自旋方向一致，它們之間的軌道角動(dòng)量為零。本研究是對(duì)它們可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的首次探索。
圖2.不同JP假設(shè)與2++模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的結(jié)果。黑色圓點(diǎn)表示觀(guān)測(cè)值，陰影區(qū)域則代表各模型的預(yù)期范圍。數(shù)據(jù)顯示點(diǎn)主要落在藍(lán)色置信帶內(nèi)，表明數(shù)據(jù)與2++模型一致
在該課題研究中，王晰寧在易凱的指導(dǎo)下，率先投入對(duì)全粲四夸克態(tài)家族自旋宇稱(chēng)測(cè)量的可行性研究，通過(guò)與理論學(xué)家討論合作，耗時(shí)半年解決了數(shù)據(jù)與模擬樣本動(dòng)力學(xué)分布不一致的關(guān)鍵問(wèn)題；并在其后負(fù)責(zé)分析的核心部分，包括蒙特卡洛樣本研究、數(shù)據(jù)分析與擬合、開(kāi)展假設(shè)檢驗(yàn)來(lái)測(cè)量量子數(shù)、系統(tǒng)誤差分析、內(nèi)部文檔及文章寫(xiě)作等，在測(cè)量過(guò)程中克服了擬合中似然函數(shù)不連續(xù)等多個(gè)技術(shù)難題，歷時(shí)三年完成了對(duì)全粲四夸克態(tài)家族自旋宇稱(chēng)的測(cè)量，并做了CMS合作組內(nèi)的預(yù)審核報(bào)告。
12月3日，相關(guān)研究成果以“全粲四夸克自旋與宇稱(chēng)的測(cè)定”（Determination of the spin and parity of all-charm tetraquarks）為題，在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）。
相關(guān)分析的評(píng)審委員會(huì)主席、CMS實(shí)驗(yàn)前發(fā)言人喬爾·巴特勒（Joel Butler）評(píng)論道：“這些新結(jié)果使我們更接近全粲四夸克的一個(gè)自洽的圖像，進(jìn)一步豐富了這一充滿(mǎn)活力的領(lǐng)域。它們?cè)俅握故玖薈MS卓越的能力，這得益于出色的探測(cè)器、擴(kuò)大的數(shù)據(jù)集以及分析團(tuán)隊(duì)的不懈努力。特別是來(lái)自中國(guó)的CMS團(tuán)隊(duì)在這些分析中發(fā)揮了主導(dǎo)作用，作出了重大貢獻(xiàn)。我期待他們能取得更多重要成果?！?/p>
該自旋宇稱(chēng)測(cè)量的研究團(tuán)隊(duì)還包括南京師范大學(xué)及河南師范大學(xué)客座研究員格里·鮑爾（Gerry Bauer）、南京師范大學(xué)研究員/講師張敬慶、以及約翰霍普金斯大學(xué)教授安德烈·格里特桑（Andrei Gritsan）帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)等。清華大學(xué)CMS團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、物理系副教授胡震與其他團(tuán)隊(duì)一起進(jìn)一步利用2022至2024年采集的新數(shù)據(jù)擴(kuò)展了先前的分析。
清華大學(xué)及南京師范大學(xué)CMS團(tuán)隊(duì)的研究得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)部和中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金的持續(xù)支持，以及清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目、南京師范大學(xué)科研啟動(dòng)項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09711-7
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
