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中国原创主导,CMS上首次发现全粲四夸克家族,是如何做到的?

2022年7月9日,在意大利举行的第41届国际高能物理大会(International Conference on High Energy Physics,ICHEP2022)上,欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)实验上的CMS(Compact Muon Solenoid)合作组报告,他们发现了一个可能由四个粲夸克组成的奇特强子家族。清华大学和南京师范大学的研究人员联合组成的“清华-南师”CMS组在这项研究中发挥了原创和主导作用。这是中国实验团队首次在LHC上观测到全粲四夸克粒子家族,也是中国首次在CMS实验上主导新粒子的发现。“清华-南师”CMS组负责人易凯代表CMS合作组报告了这一结果。

易凯代表CMS合作组在ICHEP2022报告实验结果 | 摄影:娄辛丑
 

基于2016~2018年CMS采集的所有“质子-质子”对撞数据,合作组在两个粲夸克偶素(J/ψ,夸克成分为粲夸克c和反粲夸克)的不变质量谱中观测到了一个新的粒子家族,这三个粒子可能由四个同味重夸克()组成,这种由四个夸克组成的四夸克态被称为奇特强子。该家族中的三个共振峰依据质量被暂时命名为X(6600)(显著度超过5个标准差)、X(6900)(显著度超过5个标准差)和X(7300)(显著度4.1倍标准差)。其中,X(6600)和X(7300)粒子均是在世界上首次被观测到;,CMS的结果确认了X(6900)的存在。该研究成果将以《在13 TeV质子质子对撞产生的J/ψJ/ψ质量谱上观测到的新结构》(Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV)[1]为题于近期投稿。
 J/ψJ/ψ质量谱,三个质量峰从左至右依次为X(6600),X(6900),X(7300)

 

与此同时,LHC的另两个研究组也公布了类似的研究分析结果。其一,也是在本届国际高能物理大会上,ATLAS(A Toroidal LHC ApparatuS)合作组的清华大学物理系陈新教授课题组发现了四粲夸克事例超出的证据。在该分析中,研究人员利用全部Run-2数据研究了末态为四个缪子、通过双J/ψ和J/ψ+ψ(2S)两个道衰变的事例。ATLAS在双J/ψ质谱中发现数据明显超过总背景,能看到一个X(6900)质量峰和接近阈值处的一个宽结构。考虑干涉效应,可以拟合出质量分别位于6.22 GeV,6.62 GeV和6.87 GeV的三个共振态。另在J/ψ+ψ(2S)道中也看到两个显著的共振峰。[2]

J/ψ 对(左)和 J/ψ+ψ(2S)(右)质量谱|图片来源:ATLAS 合作/欧洲核子研究中心

 

其二是,LHC的LHCb(Large Hadron Collider beauty,底夸克物理实验)国际合作组近日宣布,发现三个新奇特态粒子:一个新型“五夸克态”强子和两个互为伴随态的新型“四夸克态”强子。其中,两个“四夸克态”强子由中国科学院大学粒子物理团队主导发现,一个带有两个电荷,另一个为中性。它们的内部结构很奇特:包含了四种不同类型的夸克成份,质量约为质子质量的3.1倍。[3]

LHCb新发现的两个新的四夸克丨图片来源:LHCb 合作/欧洲核子研究中心

 

这三个合作组令人振奋的新发现,激起了粒子物理学家对奇特态结构的探索。随着发现越来越多新强子态,科学家可以更清楚研究物质的最基本特性。

 

CMS合作组首次观测到的“全粲四夸克家族”究竟是什么?中国团队又是如何主导本次实验的?对此,《返朴》专访了“清华-南师”CMS组的负责人南京师范大学教授、清华大学访问教授易凯和清华大学副教授胡震。
 

采访 | 费进、刘航

受访 | 易凯、胡震

 

问:目前LHC上的多个实验组都在奇特态结构的实验中竞逐新的发现。请先介绍一下LHC以及CMS、LHCb及ATLAS实验组的基本情况。

 

答:位于欧洲核子中心(CERN,Conseil européen pour la recherche nucléaire)的大型强子对撞机LHC,是人类有史以来建造的最大科学仪器,也是现今世界上能量最高的粒子加速器,由来自全球100多个国家和地区的上万名科学工作者共同设计、建造和使用。中国自上世纪90年代开始参加LHC实验,是最早参加LHC国际合作的国家之一,也是重要参加国之一。

 

LHC上一共有4个探测器ALICE(A Large Ion Collider Experiment)、ATLAS、CMS和LHCb。其中ALICE专注于重离子对撞物理,LHCb的设计非常适合B物理(编注:beauty physics,与B夸克相关的强子物理)研究,而ATLAS和CMS则被称为通用型探测器,说明它俩能够做多种不同类型的粒子物理实验。比如,它们既能在高质量区间发现希格斯粒子和直接寻找新物理,也能在低质量区间研究B物理,甚至可以用于收集和分析重离子对撞数据。

CMS实验海报 | 来源:CMS中国组
 

问:新粒子被对撞出来后如何能被探测到?

 

答:新粒子在质子对撞机上通过对撞而产生,但往往寿命很短,一出现就立刻衰变为其他类型的粒子,所以不会直接被探测到。但它们衰变而形成的那些子粒子、孙粒子们则相对稳定,能够穿过探测器并留下痕迹。实验粒子物理学家们可以通过重建这些痕迹,来反推母粒子的各种性质。这就好比说,当我们看烟花时,虽然只能看到美丽的焰火,看不到炮弹本身,但却可以通过计算来知道炮弹是如何被打上天的,也可以推算弹药的成分和多少。

 

问:是否有可能某些母粒子的衰变过程我们完全没想到、不知道或不了解,即便由它们衰变而形成的那些相对稳定的子粒子和孙粒子们的痕迹实际存在于数据中,我们依然无法重建和反推母粒子的物理性质?又是否可能有“简并的现象或过程”,即不同的母粒子衰变后产生的子粒子和孙粒子们的痕迹在实际数据中不易区分?形象地说,就是不同类型的烟花炮弹炸出的美丽焰火看起来差不多,不易鉴别区分。

 

答:这些情况都可能发生,这正是高能实验数据分析的艰难和迷人之处。如图1,这是1964年Omega粒子发现时的图,左边是原始数据,右边是从左边提炼出的一些粒子的飞行径迹。比较左右可以发现,即使在60年前,探测器还很原始和简单的情况下,这项工作也并不容易。而现今的数据分析工作已经变得异常复杂。例如,粒子径迹探测器往往是一层一层的,粒子穿过时会在每一层留下“击中点”,我们通过拟合程序将这些击中点近似的连成一条平滑曲线,就重建出了粒子径迹。但是,为了扩大统计量,每次对撞的其实并不是两个质子,而是两大团质子,结果导致非常多的末态粒子留下的击中点都重叠在一起,很难区分,如图2。要把这些密密麻麻混在一起的击中点区分成一条条线,其难度可想而知。

图1 Ω-粒子径迹

图2 包含102个顶点的140个积累事例的模拟示意图
 

为了保证实验数据的质量,CMS合作组需要一些有相关经验的研究组来承担服务性工作,以保证实验的正常运行。“清华-南师”CMS组在CMS物理数据表现组(PPD)有着长期贡献[4]

 

问:奇特强子态的理论和历史是怎么样的?在LHCb的实验中也观测到过五夸克的共振态,那么六或七夸克态,在理论上也有可能吗?

 

答:在粒子物理标准模型框架下,物质世界的基本粒子有夸克、轻子等。两个夸克或三个夸克分别组成了传统的介子和重子,统称为“传统”强子。但标准模型理论上没有约束组成强子的夸克只能是两个或三个,那么有可能存在一些“奇特”强子,比如由四个、五个甚至更多夸克组成,或者含有胶子成分。早期发现的可能的奇特强子仅包括K*等一些较轻的介子,而2003年BELLE合作组[注:实验的名称由Belle来,因为此实验的研究需要产生大量的B介子,而产生的来源是由电子(electron)与正电子(电子的镜像反粒子,el)对撞生成的]在B介子的衰变产物中发现的可能奇特强子X(3872)掀起了近二十年世界上对“重味”奇特强子研究的热潮,并成为高能物理的长期热点之一。之后中国BESIII合作组发现的带电奇特强子Zc(3900)+等则确认了该类奇特强子不同于传统粲偶素的奇特性——带电性,并把重味奇特强子的研究进一步推向了高潮。

1964年夸克模型提出时并没有排除由3个以上夸克组成的奇特强子

 

奇特强子的实验研究经常充满曲折。如X(4140)粒子在2009年被CDF实验发现之后,又被其他实验否定,直至2017年LHCb以更大的统计量重新确认其存在,历时8年才最终得到大家认可。再如五夸克态尽管本世纪初就在多个实验中初见端倪(后经验证均为统计波动),仅有2015年LHCb发现的五夸克态最先得到广泛认可,并入选当年世界物理十大突破。

 

问:此次发现的“全粲四夸克家族”中的“家族”具体指什么?

 

答:“全粲四夸克家族”指的是多个性质相近、质量略有区别的全粲四夸克态粒子。其实,早在上世纪80年代,北京大学理论粒子物理学家赵光达院士就基于一种夸克-胶子模型首次对全粲四夸克态家族进行了理论计算,预言了该家族的存在。在2020年6月的“低质量多轻子末态研讨会”上,来自中国各兄弟单位的粒子物理学家对全粲四夸克态进行了深入探讨,中国理论学家对全粲四夸克态的计算和性质研究已经有了非常丰富的结果,为这一家族的存在提供了有利的理论依据,赵光达院士在会上作了总结性发言。

 

问:全粲四夸克粒子中有反粲夸克吗?观测到的全粲四夸克态有三个,这三个共振态的电荷、自旋及宇称量子数分别是多少?有什么不同的性质?自旋、宇称等性质还是用CMS来测定吗?

 

答:在以往的实验中,含有轻夸克的奇特强子家族已经被发现了多个,而本次实验所发现的全粲四夸克家族则与以往不同,它们完全由重夸克(两个粲夸克和两个反粲夸克)组成。由于正反夸克的电荷相互抵消,全粲四夸克粒子整体表现为电中性的状态,它们的自旋、宇称等将在我们后续的研究工作中被测量和确定。这三个粒子目前已知的最大区别在于质量,分别为~6.6 GeV,~6.9 GeV和~7.3 GeV。

 

自旋、宇称等性质可以在CMS实验上测量,我们正在准备中。
 

问:什么是两个J/ψ粒子组成的衰变末态?是说这些奇特强子的最终态对应两个J/ψ粒子?

 

答:两个质子对撞,产生了一个新粒子(可能是四夸克态),这个粒子先衰变成两个J/ψ粒子,然后,每个J/ψ粒子又衰变成了两个缪子。所以,我们实验上观测的末态粒子,其实是来自同一个衰变顶点的四个缪子。但我们要求这四个缪子可以分成两组,其中每一组都能重组合出一个母粒子,她的质量在J/ψ质量附近。

 

问:此次发现的全粲四夸克态可否形象地想象为两个J/ψ 介子的几种可能的结合形式?有点儿像两个原子形成一个分子?不同的能态对应不同的全粲四夸克态粒子的质量?

 

答:目前理论上有多种解释,我们看到《现代物理知识》昨天编纂的文章《CMS实验世界首次发现全粲四夸克粒子家族,中国团队起主导作用》中,也访问了粒子物理理论和实验领域中的多名专家,他们针对不同的模型提出了自己的解读。

 

问:若以氧原子O为参照,“氧气”(oxygen)的化学式是O2,“臭氧”的化学式是O3 ,现在找到了全粲四夸克态粒子由两个J/ψ 介子结合形成,以此推测电中性的全粲六夸克态粒子可由三个J/ψ 介子结合形成。这会是你们进一步的研究课题吗?

 

答:首先要积累大量的“同时产生3个J/ψ粒子”的对撞事件,才能在这些3J/ψ质量谱上寻找新结果。但目前的困难是,同时产生3个J/ψ的情况都极为稀少。今年年初,CMS合作组首次在世界上观测到在一次质子质子对撞中同时产生3个J/ψ粒子的事件,信号显著度超过5个标准差,CMS合作组已将研究论文投稿至《自然·物理》(Nature Physics[5]。今年4月,清华-南师CMS组的一名本科生代表CMS合作组在美国物理协会四月会议(APSPhysics April Meeting 2022)上报告了这一结果[6]

 

问:质子、中子和电子一起构成了原子,排列成元素周期表。6种夸克和相应反夸克的各种组合可形成不同的粒子。所有这些粒子的性质会像元素周期表一样排布出什么规律吗?

 

答:物理学家通常喜欢用简单的模型来描述复杂的世界。但到上世纪中叶时,实验上发现的类似于质子、中子这样的所谓“基本粒子”已经多达上百种,非常复杂。物理学家Willis Lamb 在1955年获得诺贝尔奖致辞时说:“I have heard it said that ‘the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize’, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine. (我听说以前谁发现一个新的基本粒子就可以的一个诺贝尔奖。但现在这样的发现应该被罚1万美元)"

 

1964年,粒子物理学史上这一“尴尬”时期终于迎来了光明,盖尔曼和茨威格提出了夸克模型,这是人类探索物质基本结构的一个重要里程碑。该模型认为这些粒子并不“基本”,它们是有内部结构的,是由3种不可见的夸克组成。后来这些粒子被统称为“强子”,其中由两个夸克组成的叫介子,由三个夸克组成的叫重子。夸克模型如同在更微小的尺度下建立了新的“元素周期表”,实验上已发现的强子都可以漂亮地有规律地排在夸克周期表中,更神奇的是,实验粒子物理学家根据夸克周期表的预言,当年就又找到了一个新粒子Ω-。

 

十年之后的1974年,粒子物理学又迎来了另一个重要里程碑,丁肇中和里克特在实验上发现J/ψ粒子,被称为粒子物理学的“十一月革命”,因为这意味着第四种夸克“粲夸克”的发现。本次全粲四夸克家族的发现,就是在两个J/ψ粒子组成的衰变末态完成的。

丁肇中发现J/ψ粒子

 

问:这个实验分析是基于CMS在2016~2018年采集的所有“质子-质子”对撞数据。能谈一下该实验的发现过程及实验的难点吗?该实验的拟合方法有什么创新?有其他实验结果支持吗?

 

答:大型强子对撞机实验的末态复杂、本底高,数据分析工作往往漫长且艰难,因此CMS合作组内部有明确而严格的审核程序,以保证实验结果的可靠性。为了避免在数据分析过程中研究人员的主观因素影响结果,这项研究中采用了高能实验中常用的“盲分析”策略,即在查看信号区间之前,就要确定所有的数据筛选条件,然后再揭盲查看结果。除此之外,为了进一步减小出错的可能性,研究团队内部又分成了3个独立的小组,各自独立撰写自己的分析程序,最终3个小组得到了完全相同的实验结果。研究团队经过2年多的细致研究,通过了合作组的揭盲、预审核、终审核等关键步骤,在ICHEP2022会议上公开了结果。

 

对质量谱的拟合也是这项研究的一个难点,从图中可以看出,在不考虑粒子之间干涉,不考虑粒子和本底之间干涉的情况下,三个质量峰之间的两个深沟与我们的拟合模型有明显偏差。所以,我们也尝试了LHCb实验为解决该问题曾提出的干涉方式,即创造出一个X(6700)粒子来与本底干涉,但仍然不能很好的描述CMS的数据。我们正在研究的其他的新干涉模型或许能够更好的描述数据。

 

问:“清华-南师”CMS组成员共有多少人?为什么说中国主导了本次探测?

 

答:CMS合作组由50多个国家、约240个单位的4000多名成员组成,已经发表了1000多篇研究论文,所有论文的署名方式相同,均按照字母顺序来排列3000多名作者和200多个署名单位。而在CMS合作组内,通常可以从“项目负责人”、“预审核报告”、“终审核报告”等方面来评判研究团队的贡献。在我们的这项研究中,上述几项工作均由中国的“清华-南师”CMS组成员完成。这个团队有两个学校的一共4名教师,3名博士后,10名博士生,30名左右的本科生,加上工程师和机房管理员,总共大约50人。

 

问:CMS合作组是如何选择执行本次研究项目和方向的?需要决定数据采样方式以及寻求其它实验装置的配合吗?是先有理论预言,再进行CMS数据分析搜寻,还是在CMS数据中意外发现了几个峰值,再进行理论解释和相关数据模拟?

 

答:CMS实验上各个研究小组可以根据自己的兴趣,提出研究课题。通常来说,在课题提出的最开始阶段,有至少三个条件要考虑,一是有明确和有趣的物理目标;二是用蒙特卡洛模拟研究来说明CMS探测器对该研究有足够的灵敏度;三是提出一个让合作组结果的“触发”条件。触发是实验取数中非常重要的一步。LHC对撞产生的数据量极大,我们无法把所有数据都存储到磁盘上,而且绝大多数数据是我们不感兴趣的实验本底。所以,每个研究课题都要根据自己特定的研究对象,选取或设计一个所谓的触发条件,这样CMS的数据读取系统就可以在对撞的极短时间内,粗略地对数据做初步的筛选。

 

具体到这个研究,早在2010年的7 TeV和8TeV对撞初期,易凯老师提出了三缪子触发,专门用来研究低质量多缪子末态物理。他针对2011年和2012年收集的7 TeV和8 TeV对撞数据,对J/ψJ/ψ质量谱进行了初步研究,在数据中看到的痕迹为之后确定盲分析的信号区间提供了基础。

 

2016年13 TeV对撞开始取数时,易凯和胡震一起改进了三缪子触发,以适应更高亮度下的取数带宽。2019年,易凯和胡震回国,在清华大学和南京师范大学组建了研究团队,两校研究人员依托清华大学加入了CMS实验,联合组成“清华-南师”CMS组,对2016年到2018年收集的13 TeV数据在低质量多轻子末态进行了全面系统的研究,经过大约3年的时间,才完成这一研究课题。

在意大利ICHEP会议现场的物理学家们正在海报环节讨论全粲四夸克粒子 | 摄影:娄辛丑

 

问:是CMS合作组内某几个人有了想法,一起分析CMS数据,得了结果成文,供CMS组集体讨论定稿?

 

答:这是一个很漫长甚至可以历时数年的过程。研究团队要定期在CMS合作组内部汇报研究进展,还要将数据分析工作的全部细节写进Analysis Note。当研究进行到一定阶段,就可以申请在合作组内做正式的预审核报告(Pre-approval talk),只有通过预审核之后,才能成为一个得到合作组认可的研究课题,会获得一个代表这个课题的编号。同时,合作组会找3~5名该领域的专家,组成Analysis Review Committee,来评审研究工作的细节,不停地挑刺,直到他们都满意,再也挑不出毛病,才会给分析团队放“绿灯”。这时分析团队要在合作组做一个正式的终审报告(Approval talk),终审通过后,这个结果就可以在国际会上对外公布了。下一个步骤叫Collaboration board Review,就是把准备向杂志投稿的论文初稿,公开给全合作组(3000多人)看,让更多的人来找茬儿,来提问。当这些问题也都全部解决之后,就进入到了Final Reading阶段,合作组会安排几个更资深的专家,专门开一个会,最终再通读一遍论文初稿,做最后的把关。Final Reading通过之后,终于可以对外投稿了,但是和其他自然科学领域的学者们类似的,还要面对与杂志审稿人一轮轮问答的这个常规过程。

 

上面仅仅列了几个主要的大步骤,之间还夹杂着许多别的小步骤,一环套一环,根据研究课题的不同,最多时总共可以达到20多步。


 

发现全粲四夸克态家族有什么重要意义?

 

赵光达院士:“全粲四夸克态家族的发现对我们理解强相互作用有着十分重要的意义。在这个系统中,由于没有轻夸克组分,不太会形成‘常见’的通过交换轻介子而形成的分子态结构,从而给我们一个更为简单的物理图像帮助理解。我十分高兴中国的实验粒子物理学家在这项发现中起到了主导作用,希望在以后的工作中再接再厉。”
 

2007年樱井奖(J.J.Sakurai Prize)得主、斯坦福大学教授斯坦利·布罗斯基(Stanley Brodsky):“新发现的双J/ψ强子家族开辟了四夸克态研究中一个重要的新领域。”

 

美国布鲁克海文国家实验室副所长、D0实验前发言人德米特里·杰尼索夫(Dmitri Denisov):“理解强相互作用是粒子物理研究中最重要的问题之一,LHC上的CMS合作组发现的这些新共振态为更深入的理解基本粒子间的相互作用铺平了道路,期待未来有更多这样令人兴奋的发现!”

 

清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青:“在超越标准模型的新物理迟迟不能被实验确认的时代,多夸克态新粒子是推动粒子物理研究发展的重要前沿之一,中国人在其中起了重要的作用。”

 

易凯:“这是首次在实验上观测到可能由纯重味夸克组成的奇特粒子家族。该发现是奇特强子研究领域的重要突破。这个独特、容易理解的系统,可以帮助理论家为近20年来发现的几十个奇特强子建立最终模型。”

 

以上评论皆摘取自清华新闻网[7]清华物理系官方新闻

从左至右:安海鹏、胡震、易凯、王青、陈新

 

相关文献

[1] https://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/preliminary-results/BPH-21-003/index.html

[2] https://atlas.cern/Updates/Briefing/Charm-Tetraquark

[3] https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-three-new-exotic-particles

[4] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1179/5198.htm

[5] http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/BPH-21-004/index.html

[6] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1178/5113.htm

[7] https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/96724.htm.

 



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