清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在五夸克態(tài)發(fā)現(xiàn)中做出重要貢獻(xiàn)
清華新聞網(wǎng)7月14日電 北京時(shí)間7月14日，歐洲核子研究中心（European Organization of Nuclear Research）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上底夸克物理實(shí)驗(yàn)（Large Hadron Collider beauty Experiment，LHCb）宣布觀(guān)測(cè)到由五夸克組成的重子態(tài)，歐洲核子研究中心專(zhuān)門(mén)對(duì)此進(jìn)行了新聞發(fā)布。清華大學(xué)工程物理系教授高原寧、副教授張黎明和楊振偉等組成的研究團(tuán)隊(duì)在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中有突出貢獻(xiàn)。
清華成員（左起：高原寧、張黎明、楊振偉）在探討五夸克態(tài)產(chǎn)生和衰變機(jī)制。
1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出“夸克模型”，認(rèn)為質(zhì)子和中子不是基本粒子，而是由三個(gè)夸克組成的，這類(lèi)粒子統(tǒng)稱(chēng)為重子，另外一類(lèi)被稱(chēng)為介子的粒子則是由一對(duì)正反夸克組成的?！翱淇四Ｐ汀钡慕⑹谷祟?lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)達(dá)到了全新的高度，蓋爾曼因此于1969年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。除了已知類(lèi)型的重子和介子，蓋爾曼在論文中還提到了可能存在奇特類(lèi)型的粒子，如在介子或重子中加入一對(duì)正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。
在底重子到粲夸克偶素、質(zhì)子和K介子的衰變過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)粲夸克偶素與質(zhì)子組合的不變質(zhì)量譜中存在明顯的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的分析表明，需要兩個(gè)共振態(tài)才能很好地描述這個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，分別命名為Pc(4450)和Pc(4380)。由于這兩個(gè)共振態(tài)通過(guò)強(qiáng)作用衰變到粲夸克偶素和質(zhì)子，所以它們至少由五個(gè)夸克組成。
（上圖）底重子衰變中粲夸克偶素和質(zhì)子組合的不變質(zhì)量譜。紅色點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，黑色分布和紫色分布是兩個(gè)五夸克態(tài)成分。
（下圖）底重子衰變到五夸克態(tài)的費(fèi)曼圖。
對(duì)于五個(gè)夸克如何構(gòu)成奇特重子這個(gè)非常令人感興趣的問(wèn)題，“一種觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為五個(gè)夸克構(gòu)成緊密的統(tǒng)一體，另一種觀(guān)點(diǎn)則認(rèn)為這是由一個(gè)重子和一個(gè)介子相互作用構(gòu)成的類(lèi)似于分子的結(jié)構(gòu)，”張黎明指出，“目前還無(wú)法確定哪種觀(guān)點(diǎn)正確，我們正在進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)研究?！?/p>
五夸克態(tài)的兩種可能解釋。左圖示意緊密型五夸克態(tài)，右圖示意分子型五夸克態(tài)。
LHCb是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的粒子物理實(shí)驗(yàn)裝置之一，合作組由來(lái)自16個(gè)國(guó)家68個(gè)單位的1133名成員組成。在2011-2012年間，LHCb實(shí)驗(yàn)獲取了大量質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)表了260多篇學(xué)術(shù)論文?！斑@是LHCb實(shí)驗(yàn)在強(qiáng)子譜研究上最激動(dòng)人心的結(jié)果。”楊振偉表示。他目前是LHCb實(shí)驗(yàn)“底強(qiáng)子與夸克偶素（B-hadron and Quarkonia）”物理工作組的召集人，這項(xiàng)研究就是在該工作組完成的。
2000年LHCb國(guó)際合作組接受清華大學(xué)為正式成員，標(biāo)志著清華大學(xué)粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)科的開(kāi)始。目前LHCb中國(guó)組由清華大學(xué)、華中師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員組成，近年來(lái)研究成績(jī)突出，在LHCb實(shí)驗(yàn)的八個(gè)物理課題工作組中，中國(guó)組成員擔(dān)任了兩個(gè)工作組的召集人。“通過(guò)參加大型國(guó)際合作，我們可以在國(guó)際最高水平的科學(xué)裝置上從事前沿課題研究?！盠HCb中國(guó)組負(fù)責(zé)人高原寧教授高度評(píng)價(jià)國(guó)際合作對(duì)學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)的重要性：“在國(guó)際合作組中，國(guó)際上最高水平的專(zhuān)家和學(xué)生一起工作，共同探索物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和相互作用，不斷促進(jìn)人類(lèi)對(duì)自然界本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。”十五年來(lái)，LHCb國(guó)際合作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和清華自主科研基金的持續(xù)支持，對(duì)清華粒子物理實(shí)驗(yàn)學(xué)科的建立和發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。
這項(xiàng)研究工作是以清華大學(xué)與美國(guó)雪城大學(xué)（Syracuse University）的研究人員為主，由LHCb國(guó)際合作組完成的。按高能物理國(guó)際合作慣例，論文由全體成員署名，按作者姓氏的英文字母次序排序。
論文鏈接：http://arxiv.org/abs/1507.03414。
歐洲核子研究中心新聞發(fā)布鏈接：http://press.web.cern.ch
LHCb國(guó)際合作網(wǎng)站鏈接：http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
供稿：工物系 編輯：襄樺
