第四种夸克的发现 认识论，夸克的发现说明什么是可分的

一个强子？奇怪的强子？

在这个多彩的世界中，物质以多种不同的状态和形状出现。描述物质的基本结构和基本相互作用的理论称为标准模型。在标准模型中，物质是由六种夸克和六种轻子通过四种相互作用组成的，这是对现有物质结构的基本认识。

六种夸克分别称为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，六种轻子分别为电子（e）、电子中性微米（ve）和子轻子（） .和子中微子（v）。 tau 轻子() 和tau 中微子(v)。基本相互作用包括引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用；前两者是宏观力，是日常生活的一部分，而后两者只在小范围内起作用，其影响无法在日常生活中感受到。日常生活。例如，强力仅在10至15米的范围内产生显着效果。

夸克总是成“群”出现，它们与强大的力结合形成强子，强子又分为由一对正夸克和反夸克组成的介子，以及由三个夸克组成的重子。这个简单的图称为夸克模型。例如，最轻的强子 是u，

组成原子核的质子由夸克组成，组成原子核的质子由uud组成，称为查蒙的粒子，如J/和hc，是由正反查米对组成夸克。粒子物理理论描述了具有更复杂内部结构的强子，例如包含四个或更多夸克的多夸克态、由两个或更多介子或重子束缚的强子分子态以及夸克和激发态，存在变得可能。胶子（传递强力的中等粒子）、仅包含胶子的胶球等。这些粒子通常被称为奇异强子（图1）。

图1 奇异强子示意图

发现奇怪的强子一直是粒子物理研究的目标，但尽管经过多年的不懈探索，这一目标尚未实现。在粒子物理学的发展过程中，有一些粒子被认为是“奇怪的强子”，但后来被证明不存在，比如著名的五夸克态（1540）。故事在2003年发生了变化。 2003年12月，日本贝勒实验发现了一个非常狭窄的结构，命名为X(3872)。由于其不寻常的性质，很难将其解释为一般的魅力介子，因此它很快被认为是奇怪的强子的候选者。这也让人们对探索其他含有重夸克的终态（由一个正夸克元素和一个由一对正负底夸克组成的底元素组成的系统中的奇异强子）产生了兴趣。2005年，美国的BaBar实验各国发现了一种新结构Y(4260)，但由于其在衰变特性方面的奇怪行为，Y(4260)也被认为是奇怪强子的候选者。这些在查蒙能量区发现的奇怪强子被称为类查蒙粒子或XYZ 粒子，括号中的四位数字通常表示粒子被发现时的质量（MeV）。X(3872) 和Y(4260) 被认为是奇怪强子的候选者，但目前还没有明确的说法有证据证实它们是奇怪的强子。偶数元素的可能性很有吸引力。如果可以通过实验发现带电荷的charmonoids，它们应该是独特的奇异强子。

2BESIII发现“四夸克物质”——之前的实验性夏蒙氏体研究

北京正负电子对撞机（BEPCII）的北京谱仪III（BESIII）实验自2008年以来一直在运行和数据收集。该实验在charmonins和charmonoids的研究中具有独特的优势。 BESIII实验可以直接采集Charmerium能区的电子/正电子碰撞数据，实验背景干净，探测效率高。

2010年夏天，BESIII国际合作组年会在沉阳召开，BESIII实验的Shalmon研究小组提出了(4040)（矢量Shalmon，J/粒子的径向激发态）周围的数据。建议收藏。 ）寻找未被发现的激发态卡莫辛并研究发现的卡莫辛，例如X(3872)。该数据采集计划于同年10月获得批准，花了一到两个月的时间采集到(4040)附近的综合亮度（亮度是单位时间内检测到的事件数与相互作用交叉点的比值）。预计会的。积分亮度是亮度在时间维度上的积分。实验数据的综合亮度越高，事件数量越多。 ) 是300 pb-1 数据。计划获得批准后，Charmerin物理组就成立了，专门组织了一个类似Charmerin的工作组，每两周召开一次小组会议，准备数据收集，进行初步的物理分析，我做到了。 2011年5月3日至6月1日，BESIII实验采集到的数据质心能量为4007.6 MeV，积分亮度为482 pb-1。由于加速器和探测器的良好运行条件，在预期一半的时间内收集了预期数量1.6倍的数据。

Charmonoid工作组的成员利用这一系列数据研究了Charmons之间、Charmons与Charmonoids之间的转变过程、粲介子对的产生过程以及Ds介子（由粲夸克和奇异夸克组成）等研究。 ）进行了研究。观测到e+e-+- J/ 和e+e- J/ 过程，但没有发现明显的e+e-X(3872) 信号。

3 “四夸克物质”Zc（3900）的发现

(4040)数据的成功采集增加了BESIII合作组在高能点数据采集方面的信心。 2011 年11 月提出了新的数据收集计划。最初的计划是在质心能量4210 到4460 MeV 之间的六个能量点收集总集成亮度为600 pb-1 的数据。经过更仔细的灵敏度分析和充分的讨论，2012年3月的合作组会议决定在4260 MeV和4360 MeV两个能量点采集数据，总集成亮度为500 pb-1，但计划有所改变。数据收集计划于2012年6月获得批准，决定收集4260 MeV和4360 MeV两种能量的500 pb-1数据。 2012年12月14日，BESIII协作组首次采集了4260 MeV的数据，在30天内完成了预期50天的数据采集任务，BESIII实验组随后在4360 MeV采集了500 pb-1的数据。 30天内完成数据。将于29日收集。数据采集期间，加速器和探测器运行状况非常稳定，提前完成了既定任务。利用剩余时间，BESIII实验团队在4190 MeV到4420 MeV的5个能量点各采集了约50 pb-1的数据，并研究了该能量范围内矢量共振态的线性。这是BEPCII加速器首次达到的最高能量。

在数据收集过程中，工作组成员检查了数据的质量，并开始使用新数据来分析各种物理过程。在2012年12月26日的Charmonoid Group会议上，成员报告了e+ e- +的观察结果。 - J/ 和e+e- +- hc 过程（J/ 和hc 都是chameuse）。新的发现极大地激发了大家的工作热情，团队成员热情高涨，小组讨论往往持续三到四个小时，数据缩放、重构、检验任务都以一种紧迫感和效率完成，进展顺利。

在2013年2月的联合研究会议上，Charmonoid小组的成员报告了在e+e- +- J/和e+e- +- hc过程中发现了新粒子。新粒子都带有电荷，并且在分别衰变到 J/ 和hc 最终态时至少包含四个夸克。这一发现让整个协作研究组非常兴奋，多方交叉核对证实：很快就收拾好了。在J/终态下发现的新粒子质量约为3900 MeV（如图2（a）所示），被命名为Zc（3900）。协作整个团队齐心协力，在短短两个月内准备和审阅Zc(3900) 分析备忘录，并撰写和修改论文。论文于2013 年3 月24 日提交至预印本存储库arXiv 和：010。-30000。

图2 BESIII实验中发现的“四夸克材料”Zc(3900)和Zc(4020)。图中带有误差棒的点是实验数据，实线代表拟合结果，虚线代表背景过程的贡献，绿色直方图代表最终状态下不包括J/(hc)的背景。一个贡献。使用数据估计粒子

2013年3月30日，在向BESIII提交论文不到一周后，日本Belle实验组也将Zc(3900)的发现提交给了arXiv和《物理评论快报》。 Y(4260)初始态辐射过程的发现。 Zc(3900)首先被实验证实含有至少四个夸克，并很快在美国CLEO-c实验收集的4170 MeV数据中得到证实。

2013年6月17日，BESIII实验组和Belle实验组的结果发表在同一期《物理评论快报》上。《物理评论快报》 编辑推荐了这篇论文，并邀请著名强子物理学家Eric Swanson发表题为“新粒子暗示四夸克物质”的热情评论。评论指出，“这样的束缚态以前从未被发现过，如果四夸克解释得到证实，粒子家族中将需要添加一个新成员，我们对夸克物质分类的理解也将随之而来。”被更新。”它会落入这个区域。” 。第二天，《物理评论快报》杂志发表了题为《夸克四重奏开启物质新视野》的报道。 Zc(3900)的发现引发了粒子物理领域的新热潮，并引发了持续的激烈争论。根据INSPIRE 搜索，截至撰写本文时，本文已被引用超过1,000 次。 BES、BESII、BESIII。 30 多年实验中被引用次数最多的论文。

2013年12月，在hc终态下发现的另一个带电charmonoid Zc（4020）的结果也正式发表于《自然》，并受到期刊编辑推荐（图2右）。同年，一篇发现Zc(3900)和Zc(4020)粲介子最终态衰变的论文也发表在arXiv上。 2013年12月30日，美国物理学会主编的期刊《物理评论快报》发表了物理学年度11个亮点。第一个是四夸克物质的发现。入选理由是“目前的实验结果表明，强子是由两个或三个夸克组成。今年夏天，中国的BESIII实验和日本的Belle实验分别报道，指出在电子和正电子的碰撞过程中出现了神秘粒子” ” 发现了包含四个夸克的粒子，并将其命名为Zc(3900)。尽管对于Zc(3900)的性质可能还有其他解释，但“四夸克态”解释受到了更多关注。后来，BESIII实验中发现了一系列粒子。包含4个夸克。 ”

4现状与展望

迄今为止，已通过实验发现了10余种Zc粒子，主要集中在中国的BESIII实验、日本的贝尔实验、CERN的LHCb实验等。结合X粒子、Y粒子和Pc粒子（含有五个夸克的物质）的发现，它似乎正在经历一个类似于20世纪50年代和1960年代大量强子爆炸性发现的过程。尽管目前关于这些新粒子的性质还没有明确的结论，但这些发现使粲素的研究成为粒子物理学中最活跃的领域之一。

BEPCII加速器将于2024年夏季进行翻新，翻新后最大质心能量预计将达到5.6 GeV，同时4.7 GeV的亮度预计将增加两倍，达到1.1 1033 cm- 2秒。 1. BESIII实验的创建极大提高了Charmonoids的研究可能性。我相信并希望通过不断探索，BESIII实验将再次产生世界级的发现。升级版Belle实验——Belle II实验正式启动，收集了约400个fb-1低偶素能区正负电子碰撞数据。这是百丽实验数据量的一半，将收集其中的50%。 1x Belle 实验数据量。 LHCb实验迄今为止已收集了9个FB-1质子-质子碰撞数据，即使在翻新之后仍在继续收集新数据，并将在2024年至2025年期间收集约15个FB-1数据。中国规划的超级桃康装置（STCF）是新一代正负电子对撞机，碰撞能量为2至7GeV，亮度是BESIII实验的50倍，为研究提供了大量数据。奇怪的强子。更大的数据样本必然会给charmonoids的研究带来新的实验发现和更精确的测量，为理解材料的结构及其强相互作用的规律提供新的机会。

郭玉萍

复旦大学

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