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全粲四夸克态到底在哪里?

发布时间: 2021/04/13
       在粒子物理的标准模型中,夸克作为基本粒子,可以通过强相互作用(Quantum Chromo-dynamics, QCD)构成强子。但是由于QCD在低能区的非微扰性,准确地计算出强子的能谱仍然是个悬而未决的问题。
       虽然不能准确地计算出强子的质量,但是我们可以通过模型对实验上发现的强子进行分类和解释。强子分为自旋整数的介子(π介子,K介子等)和自旋半整数的重子 (质子,中子等)。传统的夸克模型中,介子由一对正反夸克构成而重子由三个夸克构成。需要指出的是,虽然在夸克模型提出之初,实验上发现的大量强子态可以很好地归为这两类,但是QCD并不禁戒其它的构型,比如多夸克态,夸克胶子混杂态,完全由胶子构成的胶球等等 (见图1)。超出传统夸克模型的强子态被称为奇特(exotic)强子态。
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                                                              图 1   普通强子态与奇特强子态的组分示意
  
      本世纪以来,以2003年位于美国SLAC的BaBar实验和位于日本KEK的Belle实验分别发现粲奇异介子 http://www.itp.cas.cn/kxyj/kydt/202103/W020210331575782737597.jpg 和类粲偶素 X(3872) 为开端,大量的奇特强子态的候选者在各大高能物理实验中涌现出来,比较著名的还包括BaBar实验发现的类粲偶素 Y(4260)、BESIII 实验发现的四夸克态 Zc(3900)、LHCb 实验发现的3个 Pc 五夸克态等等。这些奇特强子态是近年来强子物理研究的焦点之一,它们的发现为我们理解低能强相互作用提供了新的平台和机遇,同时也带来了很大的挑战。科学家们提出了很多模型来解释这些奇特态,但目前还没有一个统一的理解,争议尚存。上面提到的类粲偶素的名字来源于它们的质量处在由一对正反粲夸克组成的粲偶素的质量区间,1974年由丁肇中组和里克特组发现的 J/ψ 便是首个被发现的粲偶素。 
       去年夏天,LHCb合作组公布了他们在质心能量为7、8和13 TeV的质子质子对撞实验中测得的 J/ψ-J/ψ 不变质量谱。从他们的实验结果中我们可以很清楚地看到一些非平庸的结构存在:阈值附近相对相空间因子的增强,6.5 GeV 附近的鼓包,6.75 GeV 附近的低谷以及6.9 GeV 附近的峰(见图2)。LHCb的分析中通过Breit–Wigner形式的参数化描述共振态,拟合实验数据,发现 6.9 GeV 附近的窄峰可用一个共振态 X(6900) 来描述。括号里的数字表示强子的以 MeV 为单位的质量,X(6900) 表示这是一个质量大约为质子质量7.3 倍的强子。 
       之前实验上发现的奇特强子态的候选者都会包含轻夸克(上,下,奇异夸克)成分,但是实验上一直没有得到全重(粲,底夸克)奇特态的信号,尽管很多理论预言了它们的存在。这次LHCb测到的 X(6900) 可以自然地成为一个全重四夸克态 http://www.itp.cas.cn/kxyj/kydt/202103/W020210331575782783777.png 的候选者,所以该结果一经公布便引起了很大的轰动,大量的理论工作跟进对这个共振峰的结构进行探讨。 
       中科院理论物理研究所研究员郭奉坤、博士研究生董相坤及其德国和俄罗斯的合作者们认为LHCb的实验数据中确实包含了全粲 http://www.itp.cas.cn/kxyj/kydt/202103/W020210331578092781925.png 四夸克态的信息,然而是否对应于 X(6900) 尚不能确定。一方面他们注意到,如果 X(6900) 是一个http://www.itp.cas.cn/kxyj/kydt/202103/W020210331578092845633.png的四夸克态,其质量比所有理论模型计算的基态高很多,所以它应该是个激发态。那么宽度应该更小、理应更容易探测的基态在哪呢?为什么实验数据中没有明显的信号呢?另一方面,在这个能区之内,存在很多粲偶素对的阈值(见图2)。这些阈值的效应可能会显著地影响J/ψ-J/ψ不变质量分布的线形,而且并没有体现在通常可以很好地描述窄的孤立共振态的Breit-Wigner参数化之内。也就是说,LHCb文章报告的 X(6900) 参数可能不准确,真正的 http://www.itp.cas.cn/kxyj/kydt/202103/W020210331579150111146.png 的四夸克态的质量可能与X(6900)相差甚远。