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LHCb实验发现新的五夸克态,清华工物系团队作出重要贡献
发布时间:2019-04-12

3月26日,欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机上的LHCb国际合作实验宣布发现一个新的五夸克态Pc(4312),并观测到2015年发现的五夸克结构Pc(4450)实际上是由两个质量相近的共振态Pc(4440)和Pc(4457)叠加而成。以清华大学为主的LHCb中国组成员对此次发现作出重要贡献。

图1:粲夸克偶素(Jpsi)和质子(p)不变质量谱中的峰状结构是三个五夸克态的贡献.png

图1:粲夸克偶素(J/psi)和质子(p)不变质量谱中的峰状结构是三个五夸克态的贡献

五夸克态研究骨干、本次新发现主要完成者、清华大学工程物理系张黎明副教授表示,2015年首次发现五夸克态只利用了大型强子对撞机一期运行的实验数据,新的研究利用了迄今为止LHCb探测器采集的所有数据。通过重新优化的事例选择条件,信号的接收效率又得到了显著提高。用于这次实验分析的数据有效统计量比2015年时几乎增加了一个数量级,在低统计量时无法观测到的细致结构清晰地显现出来,给予了人们新的惊喜。

图2.五夸克粒子一种可能的内部结构:由一个粲重子和一个反粲介子构成的分子态.png

图2:五夸克粒子一种可能的内部结构:由一个粲重子和一个反粲介子构成的分子态

1964年盖尔曼提出夸克模型以解释强子(包含重子和介子)的内部结构。夸克模型认为,重子由三个夸克构成,介子由一对正反夸克构成。盖尔曼同时指出,可能存在有别于普通重子或介子的奇特强子态,例如五夸克态。2015年LHCb实验在底重子到粲夸克偶素(J/psi)、质子(p)和K介子的衰变过程中,发现粲夸克偶素与质子的不变质量谱中存在明显的增强结构,进一步的分析表明,需要两个共振态才能很好地描述这个增强结构的效应,分别命名为Pc(4450)和Pc(4380),括号中的数字表示以兆电子伏为单位的粒子质量。此成果入选了英国《物理世界》杂志年度物理学领域“十大突破”和美国《物理》杂志年度物理学领域“八项重要成果”。由高原宁、张黎明和杨振伟组成的清华大学LHCb团队对五夸克态的发现作出了重要贡献。

“2015年LHCb发现了五夸克态,但还有很多有趣的问题没有解决,例如,这五个夸克是如何结合成奇特重子的?我们一直在努力探索这些问题的答案,今天似乎有了更清晰的图像。” LHCb中国组负责人高原宁教授表示。

“新的发现使得我们对五夸克态的理解又进了一步。”清华大学工物系杨振伟副教授表示,“这三个五夸克态的宽度都很窄,质量略低于粲重子和反粲介子质量之和,有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态,但目前也不能排除有其它可能的解释。”

LHCb清华组的研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”专项经费和清华大学自主科研经费的支持。


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