寻找多夸克态 揭秘粒子世界

　　——记LHCb清华组负责人、清华大学工程物理系副教授张黎明

　　我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物、包括人类在内都是由物质构成的。人类探索世界的脚步从未停止，大到深空宇宙，小到微观世界。随着科技的不断发展，人类对这个世界物质的认知不断被刷新，借助现代科技之力，细胞、分子、原子、原子核，终于一一展现在人类面前，然而，这就是物质的本质了吗?

　　21世纪，物理学从原子深入到原子核，从原子核深入到质子和中子，然后又深入到夸克，最终形成了粒子物理学。粒子物理作为物质结构研究的最前沿，研究物质结构的最小单元及其相互作用的规律，成为当今物理学的主旋律。

　　在清华大学工程物理系，有一位年轻有为的青年学者，从事粒子物理实验研究，主要研究方向为重味夸克物理、CP破缺、稀有衰变以及寻找奇特态强子等，他就是清华大学工程物理系副教授张黎明，作为欧洲核子研究中心大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)上的底夸克探测器(LHCb)合作组清华组的负责人，对一系列重大研究发现做出了重要贡献，包括首次发现隐粲五夸克态及五夸克态精细结构，发现含奇异夸克的四夸克态;近年来在LHCb实验专注于奇特强子态和CP破坏的实验研究，他提出的新实验方法，不断丰富强子谱学的内容，改进对强相互作用的理解，推动对标准模型CP破坏产生机制的精确检验，为新物理模型的构建提供了重要信息。

　　逐梦夸克 科研成正果

　　1964年，人类对物质结构的认识发生了革命性的变化，当时美国物理学家默里·盖尔曼提出了“夸克模型”，认为质子和中子不是基本粒子，而是由三个更微小的带电荷粒子——夸克构成，这种类型的粒子称之为重子;另外一类粒子被称为介子，是由一对正反夸克组成的。同时，他还预言了可能存在奇特类型的粒子，如四夸克粒子和五夸克粒子。这些粒子是通过强相互作用形成的，统称为强子。1969年，盖尔曼荣获诺贝尔物理学奖，他提出的夸克模型被实验证实，实验发现存在上、下、粲、奇、底和顶6种夸克，它们都拥有自己的反物质。然而，以当时科研水平，科学家无法在实验过程中找到五夸克粒子存在的确凿证据。

　　时间来到1997年，全国人民都沉浸在香港回归的喜悦中，这一年，张黎明考进了中国科学技术大学近代物理系应用物理专业，大学四年一直成绩优异的他被直保研究生，他看到当时高能物理专业有很多国际合作项目，能接触到国际最前沿的研究，便毫不犹豫选择了高能物理专业的硕博连读，博士期间他参加了日本的Belle实验，实现了进入高能物理领域的梦想。

　　2006年年底，张黎明前往到美国雪城大学从事博士后研究，并加入了LHCb实验组，LHCb是大型强子对撞机上的四个大型实验之一，合作组由18个国家79家单位的1300余名物理学家组成。此后，张黎明在粒子物理的重味物理、电荷宇称对称性破缺(CP破坏)和奇特态(Exotic states)寻找等领域展开了研究。自2009年开始，张黎明在LHCb实验上进行CP破坏参数phis的实验研究，并取得了一系列成果。他与合作者共同提出的新实验分析方法，在CP破坏相角phis的精确测量上做出了一系列重要工作，并首次界定了圈图过程对phis测量值的贡献在0.018 rad以内，优于phis的世界平均精度0.019 rad，为寻找Bs介子混合过程的新物理效应提供了重要条件。

　　张黎明表示，传统的夸克模型认为介子由1个夸克和1个反夸克组成，重子由3个夸克或3个反夸克组成。而描述夸克之间强相互作用的理论却给出了更多答案：除了这两种组成方式外，或许还有其他方式组成的奇特强子，如夸克胶子混杂态、多夸克态等。然而该理论一直未得到验证。2013年3月26日，北京谱仪III实验发现了隐粲四夸克态Zc(3900)，表示多夸克态可能是存在的。该发现被美国物理学会主编的《物理》杂志评为2013年度国际物理学领域重要成果之一。

　　2014年，张黎明回到清华大学，进入高能物理研究中心，开始从事奇特强子态研究，为揭秘粒子世界展开了新的征程。

　　创新突破 寻找新粒子

　　张黎明是一个喜欢多做事少说话的人，寥寥数语说清问题即可，因此他在研究中能够沉下心，分析数据是他的强项。回国后，进一步研究寻找五夸克态粒子，虽然很长一段时间，实验毫无进展，但是“有心栽花花不开、无心插柳柳成荫”，一次偶然的机会，让张黎明和团队发现了五夸克粒子的“踪迹”。

　　2014年某日，张黎明正在实验室分析实验数据。当时，粒子的质量谱上出现了一个很明显的波峰，他们那时在和美国雪城大学的科研人员一起做一项研究，但美国组的成员并未把这个信号当回事，他们只是认为，这个波峰是其他效应作用的结果，因此并未对这个现象做进一步的分析。但张黎明和清华大学实验组成员没有忽略这个特殊的峰值。他们通过检查达利兹图(Dalitz-plot)的两维分布发现，五夸克横穿整个达利兹图，信号十分明显。因此，在国际合作组里面，他们首次提出了这可能是五夸克态。

　　他说：“如果是其他效应，波峰不会这么明显。所以，我们推测这可能是1个五夸克粒子的结构，于是决定做一些计算去验证我们的猜想。”但构建验证模型的过程并不顺利，由于模型涉及很多参数，相关计算进度十分缓慢，优化程序成了摆在团队面前的难题。张黎明和同事并没有轻易放弃，他们迎难而上，花了两个月左右时间优化计算程序，最终取得了成功。

　　实验结果证明，张黎明及其同事的猜想是对的，后面的实验证明了五夸克态的存在。虽然分析过程非常复杂，但结果令人十分兴奋。正是全谱分析揭示出需要两个五夸克态才能很好地描述实验中发现的效应，他们把这两个五夸克态分别命名为Pc(4450)和Pc(4380)。该发现入选英国物理学会Physics World杂志年度国际物理学领域的十项重大突破、美国物理学会Physics杂志年度国际物理学领域八项重要成果。

　　五夸克态的实验发现为研究强相互作用打开了一扇独特的大门，使这一全新类型的强子态迅速成为实验和理论的研究热点。自2015年五夸克态发现以来，张黎明积极组织并参加理论实验的联合研讨会，推动五夸克态的深入研究，成为LHCb实验系统研究五夸克态的核心人员。2019年，张黎明与合作者利用LHCb一期和二期的所有数据，发现了一个宽度很窄新五夸克态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窄共振态Pc(4440)和Pc(4457)叠加而成的，与2015年的分析相比，新分析的主要优势在于有效统计量的极大提升，可用信号数几乎提高了一个数量级，观测到了五夸克态的精细结构。美国Science杂志报道该成果，“发现的新五夸克态令人兴奋，预示着存在一种全新的粒子家族，就像一个全新的周期表。”

　　为了深入研究五夸克态的性质，使中国科学家在实现五夸克态的发现这一重大突破后，在新强子态研究方面领域继续保持领先，张黎明和团队开展了系统而深入的五夸克态性质研究，主要是利用LHCb实验在2019年停机升级前获得的大统计量和高质量数据，完成4项关于五夸克态的实验研究，包括95%置信度下的五夸克态的自旋宇称量子数、寻找五夸克态其他的产生环境、寻找五夸克态新衰变模式等。

　　2020年，为了寻找具有新型夸克组分的四夸克态，张黎明和团队不断尝试，最终在LHCb数据中发现了存在含奇异夸克的四夸克态。

　　自发现希格斯玻色子后，关于希格斯玻色子特性的研究和超标准模型新物理(BSM)的寻找成为高能物理发展的大趋势，这也是LHC下一阶段的中心任务。LHCb实验在这一过程中发挥着独特作用：其擅长通过研究重味强子的CP 破坏和稀有衰变等性质，对标准模型加以精确检验，在一定的理论框架内可以间接探测远高于TeV 能区的新物理。未来，张黎明对新物理的探索工作将主要集中在CP破坏的研究上，CP破坏是产生宇宙中正反物质极端不平衡的必要条件之一，而标准模型所描述的CP破坏效应远不足以解释宇宙的正反物质极端不平衡现象。因此，CP破坏是寻找BSM新粒子的一个理想途径，张黎明的下一步工作将围绕phis和圈图贡献的精确测量展开，利用LHCb数据，瞄准重味物理研究的前沿问题，坚持创新研究，给出世界上最为精确的CP破坏弱相角phis测量，直接检验标准模型并寻找新物理。

　　也许，对于普通人来说，什么夸克什么粒子跟他们的生活并无关系，但对于张黎明来说，世界上最美好的事，就是探索夸克粒子的奇妙世界。行而不辍，未来可期，从现在到未来，张黎明将继续和团队砥砺前行，探索粒子新物理，攀登科研新高峰。