LHCb发现的新奇特态粒子候选者X(3960)。

本报讯 近期，欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）上的底夸克（LHCb）实验在底介子三体衰变的正反奇异粲介子对（D⁺_S D^-_S）中发现了一个新奇特强子态候选者，相应证据表明其可能含有[c cbar s sbar]四夸克组分；同时，首次测量了底介子衰变到含一对奇异粲介子对的分支比。上述研究由清华大学工程物理系张黎明副教授及其博士后漆红荣、博士生陈晨主导完成。
　　利用LHCb实验采集的海量数据，研究团队首次观测到了底介子衰变到D⁺_S D^-_S和一个奇异介子K⁺的三体衰变过程，并测量了其衰变分支比。同时，在D⁺_S D^-_S系统的不变质量谱上看到了一个阈值增强的共振结构。分析得到此结构的质量为3956±5±10 MeV，宽度为43±13±8 MeV，量子数J^PC=0++，被命名为X(3960)。
　　通过强相互作用形成的复合粒子称为强子。最常见的是三个夸克组成的重子（如质子和中子）和一对正反夸克组成的介子（如正反粲夸克形成的粲偶素）。此外，强相互作用允许更复杂的强子态的存在，如四夸克态、五夸克态、夸克胶子混杂态等，统称为奇特强子态。目前已知的夸克包括上（u）、下（d）、粲（c）、奇异（s）、底（d）和顶（t）六种夸克，而胶子是在夸克间传递强相互作用。虽然描述强相互作用的理论已建立40多年，但人们对强相互作用的理解还不够深入，比如无法准确得知包含质子在内的任一强子的内部结构，又比如很难准确地计算激发态粲偶素的质量、宽度等参数。
　　此次发现的X(3960)，如果将其解释为粲偶素家族中的一员，那么它的质量将比其自旋轨道耦合三重态的“大哥”χ_c2(3930)和“二哥”χ_c1(3872)的质量均大，这是一件不可思议的事。其次，近来有学者把X(3960)和χ_c0(3915)看作同一个粒子，如果其是常规粲偶素，根据2023版粒子数据表（Particle Data Group），此粒子到OZI（OkuboZweig-Iizuka）压低的J/ψω的分宽度竟然还比到OZI允许的D⁺D^-和D⁺_S D^-_S的分宽度还大，显然是不合理的。比较可能的解释是，它是夸克组分为[c cbar s sbar]的四夸克态，或者[c cbar s sbar]与常规粲偶素的混合，前者跟理论预言的最轻的组分夸克为[c cbar s sbar]的粒子吻合。此外，此粒子也可能是两介子分子态、夸克胶子混杂态，或者上述任意两者的混合等。对于诸如X(3960)等奇特强子性质的研究，有助于深入理解强力和探索物质的基本结构。
　　8月14日，相关研究成果分别在《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《物理评论D》（Physical Review D）上发表。该研究由清华大学的研究人员主导，中国科学院大学和麻省理工学院等单位参与，以LHCb国际合作组的名义完成。按照高能物理学界惯例，论文由合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。
　　LHCb是目前世界上能量最高的粒子加速器LHC上的大型实验装置之一，致力于精确测量重味强子的性质。清华大学在2000年加入LHCb实验国际合作组，是合作组发起成员单位之一，在探测器电子学和物理研究方面均不断作出重要贡献。 （工物系）