发现4

编者按:

日前，全国科学技术大会、国家科学技术奖励大会和两院院士大会在北京召开。中国科学院高能物理研究所完成的四夸克物质‘Zc(3900)’的发现获得国家自然科学奖二等奖。我们特别邀请获胜队来解读结果。

11年前，中国宣布发现一种新型“神秘粒子”——“四夸克物质”Zc(3900)，在国际物理学界引起强烈震动，至今余音绕梁。

这一发现发生在中国正在运行的大型正负电子对撞机BES III实验中。BESIII国际合作小组由来自亚洲、欧洲和美洲17个国家和89个研究机构的600多名科学家组成。发现Zc(3900)的研究人员包括袁、朱、刘志清、、平荣刚等长期从事BESIII实验的中国科学家。

▲北京谱仪ⅲ(BESⅲ)

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一个更小的“神秘世界”

粒子物理可以探索自然界最深层的微观物质结构和基本物理规律。20世纪初，卢瑟福通过α粒子散射实验发现了原子核，打开了人们“看到”微观世界真实面目的“大门”。

随着粒子物理的发展，原子核的内部结构也被发现。原子核由质子和中子组成。20世纪60年代，夸克被发现是比质子和中子更小的“神秘粒子”。目前，夸克被认为是已知物质的基本组成部分。然而，夸克的物理定律是什么？这是困扰了人们半个多世纪的重大科学问题。

早在1964年，两位美国科学家盖尔曼和茨威格就在夸克模型中指出，重子(俗称质子和中子)是由三种夸克组成的，而介子(如π、K等。)是由正负夸克组成的。20世纪70年代发展起来的量子色动力学理论描述了夸克之间的强相互作用。这个理论允许存在其他成分的粒子，比如多夸克态、强子分子态、夸克胶子杂化态、胶体球等等。

几十年来，科学家从未停止，不断发展新的技术和理论，寻找那些隐藏的新粒子。

02

大型设备催生新发现

北京正负电子对撞机(BEPC)和运行在其上的北京谱仪(BES)是中国建造和运行的科学仪器，聚焦于陶粲能区，研究物质最深层的微观结构和基本相互作用。

北京谱仪是一台大型通用谱仪，安装在北京正负电子对撞机储存环的南碰撞点。它充当了一台“相机”，在纳秒时间尺度内观察和记录正负电子碰撞的全过程。

正负电子束在碰撞点碰撞的瞬间，北京谱仪立即开始采集并记录碰撞产生的信息，包括各种次级粒子的能量、动量、飞行时间和空之间的位置等参数，供科学家们重构整个反应过程，开展相关研究。

2008年，为了加快科学研究，升级的北京正负电子对撞机II(BEPCII)和北京谱仪III(BESIII)建成。它们性能优异，一天获得的数据是过去的100倍左右，在世界陶神能源领域同类装置中处于领先地位。

2012年底，BESIII合作组在4.26GeV的正负电子质心系统能量实现了实验数据的采集，经过31天的运行，共积累了525pb-1的数据样本，亮度创下了当时的新纪录。通过研究E+E -→π+π-j/ψ的过程，BESIII在带电的πJ/ψ系统中发现了一种新的粒子，命名为Zc(3900)。

▲πJ/ψ系统中▲BESIII发现的Zc(3900)信号(左)和Zc(3900)内夸克结构示意图(右)

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新粒子的发现引起了轰动。

Zc(3900)粒子的质量为3900MeV，略大于氦原子的质量，宽度为46MeV。信号的统计显著性超过标准偏差的8倍，即来自背景波动的概率小于10-16。

Zc(3900)粒子的寿命很短，它会在10-23秒内衰变成一个带电的π粒子和一个J/ψ粒子，与普通介子态完全不同。

这个能量区的粒子一般包含粲夸克和反粲夸克，称为粲粒子，它们是中性的，不带电荷。新发现的Zc(3900)粒子包含与电子电荷相同或相反的粲夸克和反粲夸克，暗示它至少包含4个夸克，这是科学家寻找了很久的新粒子。

2013年3月26日，BESIII合作团队正式向全世界公布了这一发现。该研究成果于2013年6月17日正式发表在《物理评论快报》上。

Zc(3900)发现后，很快被日本的Belle实验和美国的CLEO-c实验这两个大型国际合作实验所证实，引起了一系列反响。

在国际上，英国《自然》杂志报道“第一个四夸克粒子被证实”。美国物理学会《物理学》杂志以“新粒子暗示‘四夸克物质’”为题做了专题报道，将“发现四夸克物质”列为2013年国际物理领域的第一项重要成果。Zc(3900)是美国《物理评论》杂志2023年庆祝“QCD 50年”专栏中“QCD研究前沿”的“奇异强子态”一栏所列的两个代表性成果之一。

在国内，“发现Zc(3900)”入选“2013年中国十大科学进展”、中国科学院“十二五”25项重大科技成果和标志性进展、“改革开放40年40项代表性标志性重大科技成果”。

来源：中国科学院高能物理研究所责任编辑：王颖 刘映含