欧洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research, CERN）大型强子对撞机（Large Hadron Collider, LHC）上底夸克探测器（Large Hadron Collider beauty, LHCb）实验合作组近日宣布，他们发现了一种新型电中性隐粲奇异四夸克态存在的证据。这一在奇特强子态研究中取得的新进展由北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室LHCb研究团队和清华大学工程物理系张黎明副教授课题组合作主导完成。相关研究成果在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
量子色动力学（quantum chromodynamics, QCD）是描述强相互作用的基本理论。在高能区，它表现出渐进自由的特性，可通过微扰展开计算，并得到广泛的实验验证。然而， QCD在低能区呈现出非微扰的性质，如手征对称性破缺、色禁闭等，这些问题是当今粒子物理学领域的重要前沿研究方向之一。强子是强相互作用的束缚态，研究强子的结构和性质对于人们更好地理解强相互作用至关重要。四夸克态是一类奇特强子态，与传统夸克模型中的普通强子态（其价夸克仅包含一对正反夸克或三个夸克）相比，具有更丰富的内部结构。因此，研究四夸克态对于深入探讨QCD低能区的非微扰性质具有重要意义。
LHCb探测器是为研究重味强子（即包含底夸克或粲夸克的强子）而专门设计的，其主要物理目标是通过精确测量重味强子的性质，进而精确检验粒子物理标准模型并寻找新物理。其优异的重味强子探测能力使LHCb实验在重味奇特强子态的研究中取得了一系列重要成果。自2011年以来，LHCb实验已发现23个新的奇特强子态，其中包括由LHCb中国研究团队主导发现的五夸克态和全粲四夸克态，这些发现将人们对物质结构的认识推向了新的高度。
隐粲奇异四夸克态是价夸克中包含一对正反粲夸克、一个反奇异夸克和一个上夸克或下夸克的奇特强子态。此前，北京大学和清华大学LHCb联合研究团队在底介子衰变B+→J/ΨΦK+的分析中，主导发现了两个隐粲奇异四夸克态TθΨS1(4000)+和TΨS1(4220)+，它们通过强相互作用衰变到粲夸克偶素J/Ψ和带电K介子K+，夸克组分为一对正反粲夸克、一个反奇异夸克和一个上夸克 [Physical Review Letter 127 (2021) 082001]。随后，他们着手寻找这两个隐粲奇异四夸克态的同位旋伙伴，即夸克组分通过同位旋对称变换为一对正反粲夸克、一个反奇异夸克和一个下夸克的粒子。衰变道B0→J/ΨΦK0S和B+→J/ΨΦK+关于同位旋对称；他们通过对这两个衰变道进行联合研究，在J/ΨK0S不变质量谱中发现了隐粲奇异四夸克态TθΨS1(4000)0存在的证据（如下图中红色阴影区所示），并测量了其质量和自然宽度。在不假设TθΨS1(4000)0和TθΨS1(4000)+互为同位旋伙伴的条件下，该发现的显著性水平为4倍标准差；在它们互为同位旋伙伴的假设下，显著性水平超过5倍标准差。该研究结果有助于构建奇特强子的多重态结构，从而更好地理解强相互作用。
图1.J/ΨK0S不变质量谱（其中红色阴影区为隐粲奇异四夸克态TθΨS1(4000)0的贡献）
张黎明和北京大学物理学院技术物理系2019级博士研究生沈志宏是本次发现的主要完成人。2023年9月26日，由沈志宏执笔、LHCb实验合作组审核的研究论文在线发表于《物理评论快报》。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划资助，以及清华大学自主科研计划和“双一流”学科建设项目、北京大学建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项的经费支持。
LHCb实验合作组由来自21个国家和地区97家机构的1600余名科研人员组成。由北京大学、清华大学等9所高校和研究机构组成的LHCb中国研究团队创立于2000年，近年来围绕重味强子的产生机制、强子谱学、CP（即空间反射与正反粒子联合对称性）破坏、新物理寻找等物理课题作出了一系列突破性成果。目前，北京大学研究团队正在联合国内单位，与欧洲核子研究中心共同开展基于无机闪烁光纤技术的新型电磁量能器研发，为LHCb电磁量能器升级夯实技术预研基础，有助于推进我国在重味物理前沿作出国际领先的研究成果，提升中国研究团队在LHCb国际合作中的组织领导力。
LHCb实验官方报道：https://cerncourier.com/a/lhcb-sees-evidence-for-a-new-tetraquark-state/
论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.131901
