|作者：郭玉萍1,? 劉智青2,?? 朱凱3,???

(1 復(fù)旦大學(xué)現(xiàn)代物理研究所)

(2 山東大學(xué)前沿交叉科學(xué)青島研究院)

(3 中國科學(xué)院高能物理研究所)

本文選自《物理》2025年第3期

摘要J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)不僅在理論上推動(dòng)了標(biāo)準(zhǔn)模型的廣泛接受，還為后續(xù)粲偶素及類粲偶素的研究打開了大門。北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)在粲偶素與類粲偶素方面進(jìn)行的研究包括但不局限于：尋找新的粒子，確定粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量與寬度、躍遷與衰變，尋找新的產(chǎn)生和衰變過程等，取得了一批重要的物理成果。文章將著重介紹北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)關(guān)于粲偶素與類粲偶素的代表性工作，包括精確測(cè)量ηc(1S)粒子共振參數(shù)、發(fā)現(xiàn)D 波自旋三重態(tài)ψ(13D2)、發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子湮滅直接產(chǎn)生χc1(1P)、發(fā)現(xiàn)帶電四夸克粒子、矢量類粲偶素粒子與中性X(3872)粒子的系列前沿研究等。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富了人們對(duì)基本粒子世界的認(rèn)識(shí)，有助于更深入地理解強(qiáng)相互作用與宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成。

關(guān)鍵詞J/ψ粒子，北京譜儀Ⅲ，粲偶素，類粲偶素

01

引 言

2024年6月24日，2023年度國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)在人民大會(huì)堂隆重召開，“‘四夸克物質(zhì)’Zc(3900)的發(fā)現(xiàn)”榮獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。在中國科學(xué)院高能物理研究所的新聞通報(bào)中寫到：“……2013年，項(xiàng)目組利用該實(shí)驗(yàn)在質(zhì)心系能量4.26 GeV采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的帶電粒子Zc(3900)。該粒子內(nèi)部至少含有4個(gè)夸克，首次以確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明自然界存在多夸克物質(zhì)?！摮晒前雮€(gè)多世紀(jì)以來人們探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重大突破，被美國物理學(xué)會(huì)Physics雜志評(píng)選為11項(xiàng)‘年度亮點(diǎn)’重大進(jìn)展之首并入選2013年‘中國科學(xué)十大進(jìn)展’等國內(nèi)標(biāo)志性重大科技成果。四夸克粒子的發(fā)現(xiàn)使得我國在該領(lǐng)域達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成果被寫入國外本科生英文教科書等，推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展……”。

新聞稿中沒有提到的是，Zc(3900)粒子的發(fā)現(xiàn)與另一個(gè)粒子——J/ψ粒子——密不可分。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們不僅可以通過J/ψ粒子重建出Zc(3900)，并且通過Zc(3900)能衰變到J/ψ，從而推測(cè)出Zc(3900)內(nèi)部至少含有4個(gè)夸克。而J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)，則要追溯到50年前，一項(xiàng)引發(fā)了被稱為粒子物理“十一月革命”的重大發(fā)現(xiàn)。

讓我們把時(shí)光撥回到1974年。正是在那一年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的丁肇中和他領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子轟擊鈹靶的實(shí)驗(yàn)中，清楚地觀察到總能量約為3.1 GeV的大質(zhì)量矢量介子，他們將其命名為J。此發(fā)現(xiàn)立即得到了斯坦福直線加速器中心由里克特領(lǐng)導(dǎo)的SLAC團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的確認(rèn)。他們將這個(gè)由正負(fù)電子湮滅產(chǎn)生的、質(zhì)量約為3.1 GeV的中性粒子命名為ψ。比較數(shù)據(jù)后，實(shí)驗(yàn)者們意識(shí)到他們實(shí)際上發(fā)現(xiàn)了具有相同量子特征的、類似光子但具有較大質(zhì)量的粒子，自那時(shí)起，這個(gè)粒子一直被稱為J/ψ粒子。兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)決定同時(shí)公開他們的發(fā)現(xiàn)：于1974年11月11日向《物理評(píng)論快報(bào)》提交他們的論文[1—3]。

J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)對(duì)粒子物理學(xué)的發(fā)展和我們現(xiàn)在稱之為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的接受至關(guān)重要，其中包括稱為量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)的夸克—膠子規(guī)范理論和格拉肖—溫伯格—薩拉姆的電弱統(tǒng)一理論。

在J/ψ粒子發(fā)現(xiàn)之前，格羅斯和威爾切克在1973年證明無質(zhì)量規(guī)范場(chǎng)理論具有漸近自由性質(zhì)，已經(jīng)使許多理論物理學(xué)家相信強(qiáng)子是由參與強(qiáng)相互作用的分?jǐn)?shù)電荷粒子所組成。之前這些粒子已經(jīng)在1964年獨(dú)立地由茨維格和蓋爾曼假設(shè)提出，并將其命名為夸克。然而，直到20世紀(jì)70年代初，因?yàn)閺奈丛趯?shí)驗(yàn)中檢測(cè)到分?jǐn)?shù)電荷的粒子，夸克的本體地位仍然非常有爭(zhēng)議。理論學(xué)家不得不假設(shè)夸克永久被困在其電荷為電子電荷整數(shù)倍的更大粒子中——這種性質(zhì)被稱為夸克禁閉。另一個(gè)問題則涉及夸克的數(shù)量。直到1970年，理論方案通?；谶@樣的假設(shè)，即有三種味道的夸克：上夸克、下夸克和奇異夸克。這三種夸克被認(rèn)為是所有已觀察到的強(qiáng)子的基本組成部分。然而，在將格拉肖—溫伯格—薩拉姆電弱相互作用規(guī)范理論(成功地描述了輕子的相互作用)應(yīng)用到夸克時(shí)出現(xiàn)了一些困難。1970年，格拉肖—伊利奧保羅斯—馬亞尼提出了一種基于存在稱為粲的第四種夸克的弱相互作用機(jī)制，即GIM機(jī)制，成功地解釋了夸克味道不變中性流的缺失。但沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)直接表明存在其中假設(shè)的第四種夸克。

在發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子后，理論物理學(xué)家立即開始推測(cè)它的性質(zhì)(限于篇幅，此處略去他們所做的大量精彩卓絕的工作)。到1976年7月，人們一致認(rèn)為J/ψ粒子就是粲夸克及其反夸克的最簡(jiǎn)單束縛態(tài)。一旦大多數(shù)物理學(xué)家接受了J/ψ粒子的粲解釋，它的發(fā)現(xiàn)也就自然被認(rèn)為是證明粲夸克存在的重要一步，同時(shí)也證明了GIM機(jī)制在電弱相互作用中的有效性。換句話說，J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)為格拉肖—溫伯格—薩拉姆統(tǒng)一的電弱相互作用理論和夸克膠子的規(guī)范場(chǎng)理論提供了實(shí)證證據(jù)[4—8]。1976年12月，在他們的成果首次公布兩年后，丁肇中和里克特被授予諾貝爾獎(jiǎng)——“因?yàn)樗麄冊(cè)诎l(fā)現(xiàn)一種新型重粒子方面所做的開創(chuàng)性工作”。為了強(qiáng)調(diào)這一發(fā)現(xiàn)的重要性，物理學(xué)家們將J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)及隨后其被解釋為正反粲夸克束縛態(tài)的事件稱為十一月革命”。

一些理論物理學(xué)家在此后發(fā)展了粲偶素模型——以類比電子—正電子對(duì)的束縛態(tài)來解釋J/ψ粒子的性質(zhì)。粲偶素模型令人滿意地解釋了觀察到的粒子長(zhǎng)壽命和衰變性質(zhì)，并允許計(jì)算具有不同自旋、宇稱的正反粲夸克的其他共振態(tài)的性質(zhì)。之后多個(gè)實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了許多與粲偶素模型計(jì)算性質(zhì)相一致的粒子，為理論模型的有效性提供了進(jìn)一步的證據(jù)。但物理學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)，目前還存在眾多與理論模型不一致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，特別是在粲介子對(duì)質(zhì)量閾值以上發(fā)現(xiàn)的一類新的、與粲偶素類似但很可能并非粲偶素的粒子，預(yù)示我們對(duì)此能區(qū)的物理還有相當(dāng)多不了解之處。除了理論上的努力之外，還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。而北京譜儀Ⅲ(BESⅢ)的粲偶素物理工作組在此領(lǐng)域進(jìn)行了大量的測(cè)量工作，得到了一系列有價(jià)值的結(jié)果。接下來的兩章將分別介紹BESⅢ實(shí)驗(yàn)關(guān)于粲偶素與類粲偶素的一些具有代表性的工作。

02

BESⅢ上的粲偶素研究

2.1 正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)上的粲偶素產(chǎn)生機(jī)制

粲偶素指由一對(duì)正反粲夸克()組成的介子，正反粲夸克總自旋角動(dòng)量及其之間軌道角動(dòng)量的不同組合構(gòu)成了粲偶素家族。粲偶素家族中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子就是J/ψ粒子。J/ψ粒子的量子數(shù)為J PC=1--(J 表示粒子的自旋，P表示宇稱，C表示電荷共軛宇稱)，是矢量粒子，在SPEAR加速器上是通過電子和正電子碰撞湮滅產(chǎn)生的。利用相同的產(chǎn)生機(jī)制，通過調(diào)整發(fā)生碰撞的電子和正電子的能量，同年，J/ψ粒子的徑向激發(fā)態(tài)粒子ψ(2S)也在SPEAR上被發(fā)現(xiàn)。在正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，電子和正電子主要通過一個(gè)虛光子湮滅產(chǎn)生矢量粒子，其他量子數(shù)的粲偶素通常由矢量粲偶素通過輻射躍遷或者強(qiáng)子躍遷產(chǎn)生，例如J/ψ→γηc(1S)，ψ(2S)→π0hc(1P)等[9]，其中ηc(1S)是S 波自旋單態(tài)，J PC=0-+，hc(1P)是P 波自旋單態(tài)，J PC=1+-。在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上，如果電子和正電子交換兩個(gè)虛光子發(fā)生相互作用，可以直接產(chǎn)生量子數(shù)JPC=0-+, 0++, 1++, 2++等電荷共軛宇稱數(shù)值為正的粒子，但其產(chǎn)生幾率比通過湮滅產(chǎn)生矢量粒子的幾率要低幾萬倍。

北京譜儀BESⅢ實(shí)驗(yàn)自2008年開始采集正負(fù)電子對(duì)撞數(shù)據(jù)以來，累計(jì)采集了27億ψ(2S)事例和100億J/ψ事例，是目前世界上靜止產(chǎn)生的最大的J/ψ和ψ(2S)樣本，同時(shí)在質(zhì)心能量位于3.5—4.95 GeV之間的一百多個(gè)能量點(diǎn)采集了積分亮度約為46 fb-1的正負(fù)電子對(duì)撞數(shù)據(jù)，為研究粲偶素粒子的基本性質(zhì)和尋找尚未發(fā)現(xiàn)的激發(fā)態(tài)粲偶素提供了獨(dú)一無二的數(shù)據(jù)樣本。基于這些數(shù)據(jù)，BESⅢ實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了ηc(1S)粒子的共振參數(shù)，精確測(cè)量了hc(1P)粒子的共振參數(shù)與衰變幾率，發(fā)現(xiàn)了磁偶極躍遷過程ψ(2S)→γηc(2S)，發(fā)現(xiàn)了hc(1P)粒子輻射衰變到輕強(qiáng)子過程hc(1P)→γη'，發(fā)現(xiàn)了D波自旋三重態(tài)粒子ψ(13D2)，發(fā)現(xiàn)了正負(fù)電子湮滅直接產(chǎn)生JPC=1++的粒子χc1(1P)等等。這些發(fā)現(xiàn)得益于BESⅢ實(shí)驗(yàn)采集的大統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)和BESⅢ探測(cè)器優(yōu)異的性能，為檢驗(yàn)量子色動(dòng)力學(xué)理論模型和理解強(qiáng)相互作用的非微擾機(jī)制提供了標(biāo)桿。

2.2 ηc(1S)粒子共振參數(shù)的精確測(cè)量

ηc(1S)是粲偶素家族的基態(tài)粒子，1980年，MARKII實(shí)驗(yàn)通過輻射躍遷過程ψ(2S)→γηc(1S)首次發(fā)現(xiàn)了ηc(1S)，測(cè)量了其質(zhì)量M=2980±8 MeV/c2和90%置信度下的寬度上限Γ<40 MeV/c2[10]。隨后的30年中，不同實(shí)驗(yàn)組通過B介子衰變、雙光子過程產(chǎn)生、質(zhì)子—反質(zhì)子湮滅產(chǎn)生等方式對(duì)ηc(1S)粒子的質(zhì)量和寬度進(jìn)行了測(cè)量，但通過輻射躍遷過程測(cè)量的結(jié)果與其他機(jī)制測(cè)量的結(jié)果存在很大差異，輻射躍遷過程測(cè)量的質(zhì)量更高、寬度更大[11]。2009年，CLEO實(shí)驗(yàn)組基于2450萬ψ(2S)事例，在J/ψ和ψ(2S)粒子的輻射躍遷過程中觀測(cè)到ηc(1S)粒子共振譜形存在嚴(yán)重的左右不對(duì)稱現(xiàn)象，并將其歸因于磁偶極躍遷振幅對(duì)輻射光子能量的依賴[12]。

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圖1 6個(gè)強(qiáng)子衰變過程中觀測(cè)到的ηc(1S)信號(hào)區(qū)附近的不變質(zhì)量譜以及考慮了ηc(1S)共振態(tài)衰變與JPC=0-+非共振態(tài)振幅干涉的擬合結(jié)果

利用2009年采集的1.06億ψ(2S)事例，BESⅢ實(shí)驗(yàn)通過6個(gè)主要強(qiáng)子衰變末態(tài)來重建ηc(1S)，從數(shù)據(jù)中觀測(cè)到約7000個(gè)ηc(1S)事例，確認(rèn)了CLEO實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的ηc(1S)共振譜形左右不對(duì)稱現(xiàn)象，如圖1所示[13]，共振譜形不對(duì)稱現(xiàn)象無法使用躍遷振幅對(duì)輻射光子能量的依賴進(jìn)行解釋。而ηc(1S)衰變振幅與JPC=0-+連續(xù)振幅之間的干涉效應(yīng)可以完美地描述共振譜形的不對(duì)稱現(xiàn)象，干涉現(xiàn)象的統(tǒng)計(jì)顯著性為15σ。BESⅢ實(shí)驗(yàn)精確測(cè)量了ηc(1S)的質(zhì)量和寬度，結(jié)果分別為M=(2984.3±0.6±0.6) MeV/c2和Γ =(32.0±1.2±1.0) MeV，是當(dāng)時(shí)世界上20余個(gè)測(cè)量中精度最高的結(jié)果，并保持到了2020年。BESⅢ測(cè)量的質(zhì)量中心值比當(dāng)時(shí)世界平均值高3.3 MeV/c2；寬度的結(jié)果與通過其他產(chǎn)生機(jī)制測(cè)量得到的結(jié)果更接近，表明此前通過粲偶素輻射過程測(cè)量的結(jié)果存在偏差，原因在于實(shí)驗(yàn)測(cè)量中沒有考慮共振態(tài)衰變與非共振態(tài)振幅的干涉效應(yīng)，成功解釋了此前不同產(chǎn)生機(jī)制中測(cè)量結(jié)果不一致的疑難。

2.3 發(fā)現(xiàn)D 波自旋三重態(tài)ψ(13D2)

粲夸克質(zhì)量(1.3 GeV/c2)比的結(jié)合能(幾百M(fèi)eV)大很多，因此可以使用非相對(duì)論量子力學(xué)方法求解粲偶素能譜，常用的描述夸克間相互作用勢(shì)的勢(shì)模型是V(r)=-α/r+kr。根據(jù)勢(shì)模型計(jì)算，D波粲偶素共有4個(gè)，包括1個(gè)自旋單態(tài)ψ(11D2)和3個(gè)自旋三重態(tài)ψ(13D1,2,3)。其中，ψ(13D1)是矢量粒子，實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的ψ(3770)被普遍認(rèn)為是ψ(13D1)態(tài)。ψ(13D2)態(tài)的量子數(shù)JPC=2--。2013年位于日本KEK的Belle實(shí)驗(yàn)在B介子衰變中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新粒子X(3823)，統(tǒng)計(jì)顯著度為3.8σ[14]，其質(zhì)量M=(3823.1±1.8±0.7) MeV/c2，主要衰變到γχc1末態(tài)，這些性質(zhì)與理論預(yù)言的ψ(13D2)態(tài)性質(zhì)相符。因此X(3823)被認(rèn)為是ψ(13D2)態(tài)很好的候選者。

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圖2 BESⅢ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的X(3823)信號(hào)。圖中左側(cè)的共振態(tài)峰為ψ(2S)，右側(cè)為ψ(13D2)

利用質(zhì)心能量位于4.19—4.6 GeV之間數(shù)據(jù)樣本(數(shù)據(jù)積分亮度為4.67 fb-1)，BESⅢ實(shí)驗(yàn)對(duì)ψ(13D2)粒子進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)尋找。考慮到ψ(13D2)粒子的量子數(shù)以及衰變模式，BESⅢ的研究通過e+e-→π+π-X，X→γχc1(1P)過程開展。首次以超過5σ的顯著度觀測(cè)到了X(3823)，確認(rèn)了該粒子的存在，如圖2所示[15]。BESⅢ實(shí)驗(yàn)測(cè)量的X(3823)質(zhì)量為(3821.7±1.3±0.7) MeV/c2，與Belle實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。利用質(zhì)心能量位于4.23—4.7 GeV之間采集的新數(shù)據(jù)樣本，2022年BESⅢ實(shí)驗(yàn)更新了對(duì)ψ(13D2)的測(cè)量，提高了質(zhì)量的測(cè)量精度，同時(shí)在e+e-→π+π-ψ(13D2)反應(yīng)截面線型上發(fā)現(xiàn)共振結(jié)構(gòu)[16]。

2.4 發(fā)現(xiàn)正負(fù)電子湮滅直接產(chǎn)生χc1(1P)

在正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上，電子和正電子交換兩個(gè)虛光子可以直接產(chǎn)生C宇稱為正的粒子，但是一直未在實(shí)驗(yàn)上被證實(shí)。自1988年起，位于VEPP-2M和VEPP-2000加速器上的ND實(shí)驗(yàn)、SND實(shí)驗(yàn)和CMD-3實(shí)驗(yàn)，先后對(duì)多個(gè)C宇稱為正的輕強(qiáng)子在正負(fù)電子湮滅中的直接產(chǎn)生過程進(jìn)行了尋找，但均未發(fā)現(xiàn)信號(hào)。正負(fù)電子湮滅直接產(chǎn)生C宇稱為正粒子的幾率與其電子寬度Γee成正比，理論上對(duì)χc1(1P)電子寬度的預(yù)言依賴于模型，但在0.1—0.5 eV之間。此外，e+e-→χc1(1P)過程與本底過程間可能存在干涉效應(yīng)，從而改變其產(chǎn)生截面的線型，使得產(chǎn)額最大的能量點(diǎn)從χc1(1P)峰值(3.510 GeV)下移到3.509 GeV處[17]，如圖3所示。

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圖3 BESⅢ實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的e+e-→χc1(1P)和e+e-→γISRμ+μ-過程的總截面。其中，圖中灰色虛線表示信號(hào)過程與本底過程沒有干涉情況下的總截面，藍(lán)色和綠色虛線表示存在干涉情況下的總截面，帶誤差棒的點(diǎn)代表數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，紅線表示本底過程

BESⅢ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)于2013年提出在χc1(1P)峰值附近采集數(shù)據(jù)的計(jì)劃，用于尋找正負(fù)電子湮滅交換兩個(gè)虛光子直接產(chǎn)生χc1(1P)過程，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)于2017年采集完成，3周內(nèi)在4個(gè)能量點(diǎn)采集了積分亮度為445 pb-1的數(shù)據(jù)。當(dāng)制定數(shù)據(jù)采集計(jì)劃時(shí)，充分考慮到了e+e-→χc1(1P)過程與本底過程間可能存在的干涉效應(yīng)，在3.5080—3.5104 GeV處分別采集了積分亮度約為180 pb-1的數(shù)據(jù)，在3.5097—3.5146 GeV處數(shù)據(jù)樣本大小約為40 pb-1。χc1(1P)粒子使用其黃金衰變模式γJ/ψ，J/ψ→μ+μ-進(jìn)行重建，BESⅢ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了e+e-→χc1(1P)過程[18]，統(tǒng)計(jì)顯著度為5.1 σ，同時(shí)發(fā)現(xiàn)信號(hào)過程與本底過程之間存在顯著的干涉效應(yīng)。BESⅢ實(shí)驗(yàn)還首次測(cè)量了χc1(1P)粒子的電子分寬度，Γee=。這是歷史上首次在正負(fù)電子湮滅過程中觀測(cè)到量子數(shù)與矢量粒子不同的粒子，提供了測(cè)量粒子輕子寬度的新實(shí)驗(yàn)方法，可以對(duì)其他類似粒子，例如χc2(2P)、X(3872)等進(jìn)行測(cè)量。

03

BESⅢ上的類粲偶素研究

3.1 類粲偶素簡(jiǎn)介

J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)，不僅證實(shí)了自然界存在第四味粲夸克，同時(shí)也打開了粲偶素譜這個(gè)新的研究領(lǐng)域。在長(zhǎng)達(dá)50年的時(shí)間中，人們?cè)诶碚摵蛯?shí)驗(yàn)兩方面對(duì)粲偶素譜進(jìn)行研究并取得許多前沿進(jìn)展。步入21世紀(jì)，隨著B介子工廠、陶—粲工廠等高亮度正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的陸續(xù)運(yùn)行，人們?cè)隰优妓啬軈^(qū)發(fā)現(xiàn)了越來越多的新粒子，比如日本Belle實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的X(3872)[19]、美國BaBar實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的Y(4260)[20]等。這些新發(fā)現(xiàn)的粒子，一方面在勢(shì)模型理論[21]預(yù)言的粲偶素能譜上很難找到對(duì)應(yīng)的譜線，另一方面和普通粲偶素粒子的性質(zhì)迥異?；谶@些原因，很難把它們歸類為粲偶素粒子。考慮到它們的質(zhì)量位于粲偶素能區(qū)，人們稱之為類粲偶素粒子(亦稱XYZ粒子)。

類粲偶素粒子之所以吸引了人們極大的關(guān)注，是因?yàn)樗鼈兒芸赡苁且活愋滦蛷?qiáng)子態(tài)的候選者。眾所周知，1964年提出的夸克模型[22]認(rèn)為3個(gè)夸克構(gòu)成重子，2個(gè)正反夸克構(gòu)成介子。雖然當(dāng)時(shí)也提到了更多夸克組成粒子的可能性，但是實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的粒子都能用3個(gè)夸克和2個(gè)夸克來解釋。1973年發(fā)展起來的量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)理論是一個(gè)規(guī)范場(chǎng)論，它允許存在結(jié)構(gòu)比重子和介子更復(fù)雜的粒子，例如多個(gè)夸克構(gòu)成的多夸克態(tài)，夸克和膠子(傳播強(qiáng)相互作用的媒介粒子)形成的混雜態(tài)，甚至由純膠子構(gòu)成的膠子球等。所有這些新型的粒子統(tǒng)稱為奇特態(tài)。理論上雖然預(yù)言了奇特態(tài)粒子，但是多年來一直未有確切的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明奇特態(tài)粒子的存在。直到類粲偶素粒子的發(fā)現(xiàn)，人們紛紛覺得它們應(yīng)該就是長(zhǎng)期搜尋的奇特態(tài)。這個(gè)觀點(diǎn)在北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶電類粲偶素粒子Zc(3900)[23]時(shí)得到了進(jìn)一步的確認(rèn)。

3.2 帶電四夸克粒子的發(fā)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)上尋找奇特態(tài)粒子時(shí)，需要有別于普通粒子的關(guān)鍵特征。位于3—5 GeV能區(qū)的類粲偶素粒子，內(nèi)部應(yīng)當(dāng)含有一對(duì)正反粲夸克。倘若該類粲偶素粒子帶有電荷，那么它必定不是普通的粲偶素——因?yàn)轸优妓囟际请娭行缘?。因此，?shí)驗(yàn)上尋找?guī)щ婎愻优妓亓Ｗ映蔀榱恕懊盁煹臉尅?smoking gun)，它們是奇特態(tài)存在最有力的證據(jù)。

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圖4 (a)北京譜儀Ⅲ測(cè)量的Zc(3900)粒子質(zhì)量譜；(b)美國Physics雜志設(shè)計(jì)的Zc(3900)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

早在2008年，日本Belle實(shí)驗(yàn)曾宣布發(fā)現(xiàn)一個(gè)帶電類粲偶素粒子Z(4430)[24]。然而令人遺憾的是，次年該粒子被美國BaBar實(shí)驗(yàn)在相同的物理過程中否定[25]，直到2014年才重新被LHCb實(shí)驗(yàn)用振幅分析方法確認(rèn)[26]。2013年，北京譜儀Ⅲ通過在正負(fù)電子質(zhì)心系能量4.26 GeV采集的525 pb-1數(shù)據(jù)樣本，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的帶電類粲偶素粒子Zc(3900)[23]。圖4(a)顯示了北京譜儀Ⅲ測(cè)量的Zc(3900)質(zhì)量譜。要解釋Zc(3900)帶電的特征，在含有正反粲夸克的基礎(chǔ)上，至少需要引入一對(duì)額外正反夸克。如此一來，Zc(3900)就是一個(gè)含有4個(gè)夸克的奇特態(tài)粒子。圖4(b)是美國Physics雜志設(shè)計(jì)的Zc(3900)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。Zc(3900)的發(fā)現(xiàn)隨后得到了日本Belle實(shí)驗(yàn)[27]、美國CLEO-c實(shí)驗(yàn)[28]以及美國D0實(shí)驗(yàn)[29]的證實(shí)，因此它的存在是確定無疑的。美國Physics雜志和英國Nature雜志評(píng)價(jià)“Zc(3900)是第一個(gè)確認(rèn)的四夸克粒子”[30，31]。繼Zc(3900)發(fā)現(xiàn)之后，北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Zc(4020)[32]和Zcs(3985)[33]等更多的四夸克粒子。

3.3 矢量類粲偶素粒子

正負(fù)電子對(duì)撞通過湮滅成虛光子進(jìn)而產(chǎn)生粲偶素粒子。在這個(gè)過程中，末態(tài)粲偶素粒子和光子具有相同的對(duì)稱性質(zhì)，即它們的自旋和宇稱量子數(shù)都是1--，被稱為矢量粒子。第一個(gè)矢量類粲偶素粒子Y(4260)由美國BaBar實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。它的質(zhì)量約為4.26 GeV，在粲偶素譜上很難找到對(duì)應(yīng)的譜線，且在含有正反粲夸克對(duì)的所謂隱粲末態(tài)中被發(fā)現(xiàn)。這些性質(zhì)和勢(shì)模型的理論預(yù)期有很大的矛盾。之前格點(diǎn)QCD理論計(jì)算出含粲夸克對(duì)的混雜態(tài)粒子質(zhì)量約為4.28 GeV[34]，因此Y(4260)粒子一度被認(rèn)為是一個(gè)混雜態(tài)。

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圖5 北京譜儀Ⅲ(a)和BaBar(b)測(cè)量的Y(4260)粒子線型

北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)是一臺(tái)對(duì)稱的正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，能夠在陶—粲能區(qū)進(jìn)行高精度的掃描。2017年，北京譜儀Ⅲ通過精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了Y(4260)粒子存在精細(xì)結(jié)構(gòu)[35]，測(cè)量的質(zhì)量比BaBar實(shí)驗(yàn)低很多，改變了人們對(duì)該粒子的認(rèn)識(shí)。圖5顯示了北京譜儀Ⅲ和BaBar實(shí)驗(yàn)測(cè)量的Y(4260)粒子線型，可以看到北京譜儀Ⅲ的結(jié)果顯示出雙結(jié)構(gòu)的復(fù)合線型。后來通過一系列高精度的測(cè)量，還發(fā)現(xiàn)了Y(4260)粒子的顯粲衰變過程。這些對(duì)Y(4260)粒子本質(zhì)的理解產(chǎn)生了重要影響。

除Y(4260)以外，北京譜儀Ⅲ利用自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)新的矢量類粲偶素粒子，包括Y(4390)[36]、Y(4500)[37]、Y(4710)[38]、Y(4790)[39]等，其本質(zhì)尚待研究。所有這些新發(fā)現(xiàn)的類粲偶素粒子，加上已知的粲偶素粒子，個(gè)數(shù)已經(jīng)大大超過了勢(shì)模型理論的預(yù)期，這意味著這些粒子中必定存在奇特態(tài)。

3.4 中性X(3872)粒子

X(3872)粒子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的類粲偶素粒子，它于2003年被日本Belle實(shí)驗(yàn)在B介子衰變過程中觀測(cè)到。而后，世界上多個(gè)合作組紛紛對(duì)它開展研究。X(3872)粒子的自旋宇稱量子數(shù)和勢(shì)模型預(yù)言的粲偶素粒子χc1(2P)一致。然而實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的質(zhì)量卻比理論預(yù)期低得多，且X(3872)是個(gè)非常窄的粒子，這些都和理論預(yù)期有巨大差別。另一方面，X(3872)粒子的衰變性質(zhì)也很古怪，存在非常大的同位旋破壞效應(yīng)，這在通常的粲偶素粒子中非常罕見(概率約為千分之一)。由于X(3872)粒子這一系列不同尋常的行為，人們認(rèn)為它不是普通的粲偶素粒子，而是一個(gè)奇特態(tài)。

考慮到X(3872)粒子的質(zhì)量非?？拷粚?duì)中性DD*介子的質(zhì)量閾值，人們推測(cè)X(3872)可能是一個(gè)由DD*介子通過殘余的核力松散束縛的粒子，稱為分子態(tài)[40]。這一解釋得到了比較多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持，例如X(3872)有非常大的DD*衰變概率(約50%)等[41]。然而也和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)存在一些矛盾，例如在高能量強(qiáng)子對(duì)撞中的高產(chǎn)額問題[42]。目前，人們似乎更傾向于將X(3872)解釋成分子態(tài)與粲偶素的混合[43]。另外，也有理論將X(3872)解釋成一個(gè)四夸克態(tài)的粒子[44]。圖6顯示了X(3872)粒子的兩種結(jié)構(gòu)示意圖。

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圖6 X(3872)粒子可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：(a)分子態(tài)；(b)四夸克態(tài)

北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)在X(3872)的研究方面起步較晚。2014年，首次通過輻射躍遷過程觀測(cè)到X(3872)粒子信號(hào)[45]。雖然北京譜儀Ⅲ產(chǎn)生X(3872)的截面較低，統(tǒng)計(jì)量和其他實(shí)驗(yàn)相比沒有優(yōu)勢(shì)，但是可以進(jìn)行非常有特色的研究。北京譜儀Ⅲ測(cè)量了X(3872)的輻射躍遷產(chǎn)生截面，結(jié)果強(qiáng)烈地支持X(3872)粒子信號(hào)來自Y(4260)粒子的衰變[46]。這一新的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)首次把兩個(gè)不同的類粲偶素粒子聯(lián)系起來，揭示了它們的本質(zhì)存在共同點(diǎn)[47]，為理解類粲偶素粒子提供了嶄新的思路。

04

結(jié) 語

毫不夸張地說，作為基態(tài)矢量粲偶素，J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)為后繼粲偶素及類粲偶素的研究打開了大門、鋪平了道路，而BES，BESⅡ，BESⅢ合作組將粲偶素能區(qū)的實(shí)驗(yàn)在廣度與深度上都極大向前推進(jìn)。如前文所述，BES實(shí)驗(yàn)研究粲偶素與類粲偶素的性質(zhì)，其研究?jī)?nèi)容包括但不局限于：尋找新的粒子態(tài)、確定粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測(cè)量它們的質(zhì)量與寬度、測(cè)量它們的躍遷與衰變、尋找新的衰變過程，并取得了一批重要的物理成果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果豐富了我們?cè)诖四軈^(qū)的知識(shí)，有助于更加深入地理解強(qiáng)相互作用與宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成。最近BESⅢ實(shí)驗(yàn)獲取了27億的ψ(2S)的峰上數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界上其他實(shí)驗(yàn)室。并且，在即將完成的BEPCⅡ升級(jí)之后，BESⅢ計(jì)劃在4 GeV以上獲取更多的掃描數(shù)據(jù)。在不遠(yuǎn)的將來，BESⅢ必將產(chǎn)出一批新的重要物理成果。

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紀(jì)念粲夸克發(fā)現(xiàn)50周年及北京譜儀Ⅲ實(shí)驗(yàn)專題

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