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    我科学家在北京正负电子对撞机上发现新粒子

    日期 2013-08-08   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第3期
    (总第452期)

      本文提要:以中国科学院高能物理研究所的北京正负电子对撞机国家实验室为依托,在国家自然科学基金重大、重点、创新研究群体、杰出青年科学基金等项目的稳定持续资助下,第三代北京谱仪(BESIII)实验国际合作组的科研人员,在最近采集的实验数据中,发现了一个新粒子,该粒子是一个带有电荷的类粲夸克偶素,质量约为氢核的四倍,至少含有4个夸克,极有可能是科学家们长期寻找的奇特强子态粒子。在该发现宣布后,日本高能加速器研究机构的实验和美国高能加速器研究中心的实验也证实了该发现。和他们相比,BESIII实验信号强,本底小,具有国外实验无可比拟的优势。中国的BESIII实验已步入奇特强子态粒子研究领域的国际前列。

      粒子物理学标准模型以夸克模型为结构载体,将参与强相互作用的粒子统称为强子,强子分为两种:一是由3个夸克组成的重子(如π介子);二是由夸克-反夸克对所组成的介子(如质子及中子)。然而描述夸克之间强相互作用的理论却并不排除以其它方式组成的粒子,如夸克胶子混杂态、强子分子态、多夸克态、胶子球等,这一理论却一直没有得到实验验证。实验上对这些奇特强子态的寻找从未停止,国际上许多实验对强子谱进行了广泛的研究,发现了一系列新的共振结构,但由于数据的匮乏和理论的局限,尚不能确定这些粒子的属性,也就无法确认奇特强子态是否存在。这些粒子表现出和普通粲夸克偶素粒子非常不一样的奇特性质,因此被人们称之为‘类粲夸克偶素’,或者也称之为‘XYZ’粒子,被赋予了‘让人难以理解’的意思,长期以来一直是粒子物理研究的前沿与热点。

      第三代北京谱仪(BESIII)实验运行的能量区域恰好是研究类粲夸克偶素粒子的黄金区域。经过严密的论证,BESIII国际合作组于2012年12月至2013年1月,在正负电子质心系能量4.26 GeV处采集实验数据,利用该数据样本,研究人员发现一个新的结构,其统计显著性大于8倍标准差(8s,也即是说,如果这个结构来自本底和噪声的话,其可能性小于10-16)。BESIII国际合作组将其命名为ZC(3900)粒子,其质量为3900 MeV,约为氢原子核质量的四倍。ZC(3900)粒子产生后会在大约10-23秒内即衰变成一个带电的p介子和一个中性的粲夸克偶素粒子J/y(由正反粲夸克对构成)。因此ZC(3900)粒子内部必定含有正反粲夸克对,但是仅仅由正反粲夸克对构成的粒子都是电中性的,这与ZC(3900)粒子的带电性质不一致。所以ZC(3900)内部必定还含有其它的夸克组分来提供电荷!这直接决定了ZC(3900)粒子由至少4个夸克构成——即除了正反粲夸克对外,还含有一对其它的带电的正反夸克,这可以被认为是含有4个夸克的奇特强子态粒子存在的最直接的证据。虽然科学家们目前还无法确定这一粒子的其他性质,但它的发现却为奇特强子态的存在提供了有力证据,对于定量的理解强子是如何由夸克组成的、检验强相互作用理论具有重要意义。

      这一实验发现很快被以亮点推荐的形式发表在2013年6月17日的《物理评论快报》杂志上。鉴于成果的创新性和重要性,英国《自然》杂志在该研究论文发表的第二天,即刊登专题新闻报道了该“激动人心”的发现。“……找到一个4个夸克构成的粒子,这拓宽了宇宙中夸克可以结合成奇特态物质的方式”。《物理评论快报》的编辑还特别邀请了美国匹兹堡大学的著名强子物理学家埃里克·斯汪森做了题为“新粒子暗示存在四夸克物质”的评论。以“美国连线”、“生活科学”、“新科学家”为代表的众多国外媒体也纷纷对该发现进行了转载和报道。维基百科全书也将ZC(3900)粒子正式收录。

      值得指出的是,在BESIII国际合作组宣布该发现以后,日本高能加速器研究机构的实验和美国高能加速器研究中心的实验也证实了该发现。BESIII实验在类粲夸克偶素领域首战告捷,在国际上引起了强烈的反响。科学家们纷纷表示非常“期待和渴望”BESIII实验更多的研究结果。BESIII实验目前已采集到更多的数据。粒子物理科学家们希望以Zc(3900)粒子的研究为突破口,在更多数据的基础上,全面细致地研究近年来发现的一系列新的粲夸克偶素或类粲夸克偶素粒子,寻找更多奇特强子态粒子存在的证据,进一步为人类揭示强相互作用这一微观世界中丰富多彩的内容。

      北京谱仪上的粒子物理科学研究工作一直得到国家自然科学基金在基本粒子学科前沿研究方面持续稳定的资助,如重大项目“τ-粲物理若干前沿课题的研究”、“正负电子对撞粲物理的系统研究”、重点项目“标量和赝标量非常规介子态的寻找与研究”“粲偶素与类粲偶素的实验研究”、创新研究群体科学基金“北京谱仪上的新强子态和新物理现象研究”、国家杰出青年科学基金“量子色动力学、强相互作用和强子物理”、“粒子物理实验”等,这些资助对科学家发现ZC(3900)粒子起到了不可或缺的重要作用。




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