2005 年,位于美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的BABAR 国际合作组实验宣布发现一个新的粒子——Y(4260)。该粒子的发现引起了物理学家的极大兴趣。粒子物理学家们认为,Y(4260)粒子很可能是一个新型的奇特态强子。美国《发现》期刊将其评为2005 年世界前100 的重大科学故事。为什么Y(4260)粒子格外引起人们的关注?究竟什么又是奇特态强子?这一切都要从粒子物理学讲起。
粒子物理学是一门专门研究自然界物质基本结构的科学。人们知道,自然界的物质都是由更基本的、看不见摸不着的微观原子、分子(尺寸为埃米量级,即10-10 m)构成。1897 年,英国科学家汤姆逊第一次从实验上观测到了电子的存在,敲开了人类研究微观世界的大门。1911 年,英国科学家卢瑟福的α粒子散射实验,第一次证实了原子的核式结构模型,即微观原子都是由位于中心的原子核(尺寸为费米量级,即10-15 m)和核外电子构成。这其中,原子核的质量占据了整个原子质量的99%以上,而电子的质量却非常微小。那么原子核和电子就是自然界的最基本粒子吗?它们还有没有进一步的内部结构呢?粒子物理学的研究表明,电子是基本粒子之一,目前人们还没有发现电子存在任何结构的迹象;但是原子核却是有内部结构的,它由带电的质子和不带电荷的中子构成。而质子和中子也不是基本粒子,它们还有内部结构——是由夸克构成的。
夸克是自然界的最基本的粒子之一,目前还没有发现夸克存在进一步内部结构的任何证据。夸克总共分成6 种,分别是上夸克(u),下夸克(d),粲夸克(c),奇夸克(s),顶夸克(t)和底夸克(b)——通常称为味道。另外,每味夸克还带3 种不同的颜色(红、绿、蓝)。夸克与夸克之间通过一种相互作用很强、短程的力——强相互作用力束缚起来,就可以构成质子和中子,进而构成原子和丰富多彩的物质世界。除了质子和中子之外,夸克当然还可以构成其他的粒子,例如π介子、K介子等。所有由夸克通过强作用力束缚起来形成的粒子都叫做强子。那么夸克组成强子的时候,有没有规律可循呢?20 世纪60 年代,美国物理学家盖尔曼和茨威格在对强子进行分类的时候,找到了灵感,提出了著名的夸克模型。夸克模型指出,自然界的强子都是由3 个夸克组成(称为重子)或者由正反夸克对组成(称为介子)的色单态粒子。由于夸克模型可以很好地归类当时实验上观测到的几乎所有的强子,因而被人们广为接受。
有没有一种强子,其结构超出夸克模型的预言呢?几十年来,粒子物理学家们一直在寻找该问题的答案。从理论上讲,夸克模型仅仅是一个模型,它没有包含强相互作用的动力学。强子正是夸克通过强相互作用束缚起来的体系。描述强相互作用最有效的理论是量子色动力学(QCD)。在QCD的理论框架下,夸克形成强子时不受夸克模型的限制,既可以有重子和介子,也可以存在其他形式的强子,如多个夸克构成的多夸克态、夸克和传播强相互作用的媒介粒子——胶子形成的夸克胶子混杂态、甚至纯粹由胶子构成的胶子球等。除了重子和介子以外,其他的新型强子我们称之为奇特态强子。自夸克模型提出以来,实验物理学家们一直致力于寻找奇特态强子的实验证据。直到近年来,在粲夸克偶素质量区才发现了它们存在的迹象。
粲夸克偶素是由一对正反粲夸克对构成的介子,其质量约为3—4 GeV/c2。由于构成粲偶素的正反粲夸克本身质量较重(约1.2—1.5 GeV/c2),因此粲夸克在粲偶素内部的运动能量较低,运动速度较慢,在某种程度上可以类比于经典运动学系统。受此启发,美国物理学家E.Eichten 等提出了著名的势模型,即构成粲偶素的正反粲夸克对用相互作用势V (r) = - 4αS/3r+ br 来描述。有了相互作用势,通过求解薛定谔方程即可得到所有的粲偶素能级和其对应的波函数。实验上,自1974年发现第一个粲偶素粒子J/ψ以来,粲偶素的研究取得了很大进展。众多粲偶素被一一发现,并且其性质和势模型的预言符合得相当不错。图1显示了目前实验上得到的典型粲偶素能谱图。得益于正负电子对撞机实验的发展,矢量态(自旋宇称量子数JPC=1--)粲偶素的研究最为成熟,总共发现了6个,分别是J/ψ,ψ(2S),ψ(3770),ψ(4040),ψ(4160)和ψ(4415)。
图1 实验上得到的粲偶素能谱图
2005 年,美国斯坦福的BABAR实验采用了初态辐射的方法,在e+e-→π+π-J/ψ的反应过程中,观测到了新共振态粒子Y(4260),并测得其质量约为4.26 GeV/c2,宽度约为50—90 MeV。该发现随后立即被日本KEK的Belle 实验和美国康奈尔大学的CLEO实验采用相同的方法所证实。由于Y(4260)粒子是在初态辐射这一独特的过程中观测到的,因此实验上我们可以确定其自旋宇称量子数为JPC=1--,即矢量态粒子。Y(4260)粒子质量位于粲偶素质量区,因此它内部应该含有正反粲夸克对。然而对比矢量态的粲偶素能谱,却很难将Y(4260)粒子纳入粲偶素的范围。首先,Y(4260)粒子的质量和势模型的预言不一致,在粲偶素能谱图上找不到其合适的位置;其次,Y(4260)粒子的性质和位于该质量附近的粲偶素性质差别极大,它倾向于衰变成粲偶素末态(例如J/ψ),而不是D介子(及其激发态)末态。反观该质量区附近的粲偶素,如ψ(4040),ψ(4160)和ψ(4415),皆倾向于衰变成D介子(及其激发态)末态,并且和势模型的预期一致。
鉴于将Y(4260)归为粲偶素的种种困难,粒子物理学家们提出,Y(4260)粒子内部除了含有正反粲夸克对以外,还含有其他成分,即Y(4260)是一个奇特态的强子。新发现的Y(4260)粒子是奇特态粒子的这一想法,立刻引起了人们的极大关注。粒子物理学家们纷纷对Y(4260)的内部结构进行了解释,提出了以下若干典型观点。
(1)夸克胶子混杂态——正反粲夸克对和胶子一起形成的束缚体系。流管模型曾预言,最轻的含正反粲夸克对的夸克胶子混杂态粒子质量位于4.2 GeV/c2 附近,这和Y(4260)粒子的质量非常接近。最近,格点QCD 理论对夸克胶子混杂态做过计算,得出矢量态混杂态粒子的质量为4285±14 MeV/c2,也和Y(4260)粒子的质量在误差范围内吻合。
(2)四夸克态——四个夸克通过强相互作用紧密束缚起来的强子态。为了便于计算四夸克态粒子质量,四夸克态模型将两个夸克捆绑在一起,形成双夸克(diquark)。正反双夸克即可形成四夸克态系统。该模型计算出了一系列可能的四夸克态粒子的质量,其中有若干候选者和Y(4260)粒子的质量吻合。四夸克态预言,Y(4260)粒子应该主要衰变到DDˉ 末态。
(3)强子分子态——由两个普通强子通过残余的核力形成的松散束缚体系。Y(4260)粒子的质量恰好位于一系列强子对的质量阈值附近,比如,它有可能是这些强子对形成的强子分子态。最近北京谱仪(BESIII)实验在Y(4260)粒子的疑似衰变中发现了带电奇特态粒子Zc(3900),被认为是支持Y(4260)为DˉD1 分子态的证据。
(4)强粲偶素——由一个粲偶素作内核,被轻强子物质包围形成的束缚体系。由于目前Y(4260)粒子只在π+π-J/ψ 衰变中观测到了,美国明尼苏达大学的M.B.Voloshin 教授提出了强粲偶素的观点。强粲偶素的一个典型特征就是,它倾向于衰变到其带有的粲偶素内核末态。因此,该观点能够自然地解释为什么没有观测到Y(4260)粒子的其他衰变模式。
目前对Y(4260)粒子解释的各种观点难分伯仲,很大一方面原因源于实验对Y(4260)粒子的质量、宽度和衰变模式的测量精度不高,因此很难对上述各种解释提供强有力的甄别判据。运行于北京正负电子对撞机(BEPC II)上的北京谱仪BESIII 实验,其设计目标为τ-粲工厂,即通过正负电子对撞来产生大量的τ轻子和粲夸克。自2013 年首次在正负电子质心系能量4 GeV以上运行以来,BESIII 实验已经在Y(4260)粒子的质量峰附近19 个能量点采集了积分亮度约8.2 fb-1的数据样本(简称XYZ数据)。另外,BESIII 还在正负电子质心系能量3.8—4.6 GeV 之间约103 个不同的能量点做了低亮度扫描,共采集了积分亮度约0.8 fb-1的数据样本(简称扫描数据)。BESIII 的高亮度数据样本给精确测量Y(4260)粒子的参数提供了机遇。
2016年,利用BESIII实验总共采集的约9 fb-1的数据样本,我们系统地分析了e+e-→π+π-J/ψ 过程,并测量了其随着正负电子质心系能量变化的产生截面。相较于BABAR 实验的初态辐射方法,BESIII 实验是基于正负电子直接碰撞的扫描实验。正负电子直接碰撞有三个明显的优势:信号探测效率高(BESIII 比BABAR,Belle 提高了约5 倍);背景和噪声简单易于控制;扫描能量点的分辨高(约0.8 MeV),能够对Y(4260)提供更精细的测量。图2 显示了BESIII 实验测量得到的随正负电子质心系能量( √s )变化的e+e-→π+π-J/ψ 产生截面。可以明显地看到在4.2 GeV 处有很大的一个共振峰——Y(4260)粒子。另外,在4.3 GeV处还可以看到有一个小的肩膀存在,这在以前的实验中(BABAR,Belle,CLEO)没有观察到。
为了有效地提取Y(4260)粒子的质量、宽度等参数,需要对随正负电子质心系能量变化的e+e-→π+π-J/ψ 截面(图2)做拟合。目前描述该截面的理论参数化模型主要包括早期BABAR实验采用的单个Breit—Wigner 函数或者是Breit—Wigner 函数和指数衰减函数的非相干叠加和Belle实验采用的双Breit—Wigner函数相干叠加。BESIII一开始也尝试了采用这些理论参数化模型拟合数据,但发现它们都不能描述数据,而且BESIII 的数据在5.4σ置信度水平下(即它们为真的概率小于6.6×10-8)可以排除掉这些理论参数化模型。
图2 BESIII 测量的e+e-→π+π-J/ψ 产生截面(a)XYZ数据;(b)扫描数据
基于在BESIII 数据4.3 GeV 附近观测到的小肩膀可能是一个新共振态粒子这一事实,BESIII实验创新性地发展了两种可能的理论参数化模型,分别是三个Breit—Wigner 函数的相干叠加和两个Breit—Wigner 函数加上指数衰减函数的相干叠加。BESIII 采用的这两种理论模型都能够很好地描述数据,图2中的红色实线和蓝色虚线分别代表了它们的最后拟合结果,可以看到它们的差别非常微小。通过拟合实验数据,BESIII测量出Y(4260)粒子的质量为4222.0 ± 3.1 ± 1.4 MeV/c2,宽度为44.1±4.3±2.0 MeV,是目前世界上对Y(4260)粒子的最高精度测量。另外我们注意到,BESIII 测量的质量中心值在4.22 GeV/c2附近,比之前实验的测量值(4.26 GeV/c2)略小;宽度中心值在44 MeV左右,比之前实验的测量(120 MeV)小很多。
除了Y(4260)粒子,BESIII 还观测到一个新的共振态粒子信号,测得其质量为4320.0±10.4±7.0 MeV/c2,宽度为101.4+25.3-19.7 ± 10.2 MeV,统计显著性大于7.6 σ(即来自背景涨落形成假信号的概率小于1.6×10-14)。该信号系第一次在e+e-→π+π-J/ψ 过程中观测到,其质量和宽度和先前在e+e-→π+π-ψ(2S)过程中发现的另一个Y(4360)粒子在误差范围内可以吻合。如果该信号就是Y(4360)粒子信号,那么我们第一次在实验上观测到了Y(4360)粒子的新衰变模式。另外,新信号的出现也在某种程度上解释了为什么BESIII 的Y(4260)粒子测量宽度比之前小很多,原因就是之前的实验测量精度都不高,导致将这一新粒子信号混入到了Y(4260)粒子当中。
BESIII 精确测量Y(4260)粒子的参数,对解析该奇特态粒子的内部结构提供了新的启示。首先, BESIII 测量得到的Y(4260) 粒子质量位于4.22 GeV/c2附近,和最近BESIII实验在e+e-→ωχc0过程和π+π-hc过程中看到的共振结构在误差范围内一致,这强烈暗示我们Y(4260)粒子存在至少3个不同的衰变模式(分别是π+π-J/ψ ,ωχc0,π+π-hc )。这显然和把Y(4260)解释成强粲偶素的观点矛盾,因为强粲偶素模型预期Y(4260)主要衰变到其内核粲偶素J/ψ末态。即便认为在内核中有两个以上的粲偶素,强粲偶素模型的解释似乎也很牵强。其次,BESIII 的测量将Y(4260)粒子的质量精确地定位在4.22 GeV/c2 附近,这比之前格点QCD理论的计算值低,并且差别超过4.3σ之多。这暗示我们,Y(4260)粒子可能不是混杂态粒子,至少不是目前格点QCD理论计算得到的混杂态粒子。再者,BESIII实验目前观测到了Y(4260)粒子的多种可能衰变模式,但是依然没有观测到四夸克态模型预言的DD ˉ 介子末态衰变,因而Y(4260)粒子是四夸克态的解释还有待进一步的检验。最后,BESIII 测量Y(4260)粒子的质量比之前的测量低了将近40 MeV。如果将Y(4260)粒子解释成强子分子态,这意味着之前模型中考虑的强子对之间的束缚能量需要很大的修正。强子分子态模型需要进一步更新模型参数,以更好地预言强子分子态的性质,从而检验Y(4260)粒子的本质。
尽管目前对Y(4260)粒子的内部结构依然没有确切统一的解释,然而我们相信在不久的将来,人们对奇特态强子的理解有望进一步深入。目前,BESIII 实验继续运行在τ-粲能区以采集更多的数据样本。最近,BESIII 国际合作组提出了所谓的高亮度扫描取数计划。该计划打算在3.8—4.6 GeV之间,以每隔10 MeV的能量间隔采集约500 pb-1积分亮度的数据样本,并于2017 年上半年完成计划的一部分。预计该计划将来全部得以实现,则BESIII 实验对矢量态及其他奇特态强子的测量精度将进一步大幅提高。BESIII 最终将解开Y(4260)粒子的内部结构之谜。
本文选自《物理》2017年第4期
1. 时间的方向 || Stephen W. Hawking
6. 数学是什么?
10. 漫谈经济物理学
END
更多精彩文章,请关注微信号:cpsjournals