image: Observation of four-charm-quark structure view more
Credit: ©Science China Press
强相互作用力是自然界四种基本作用力之一。夸克通过强相互作用形成强子。原子的基本组分，质子和中子，即为强子的一种。根据夸克模型，强子可以由两个或三个夸克组成，分别称作介子和重子，二者统称常规强子。包含四个、五个乃至更多夸克的奇异强子态的存在也是被夸克模型允许的。同常规强子一样，奇异强子也被预期有丰富的谱形。但直到2003年，Belle实验才观测到首个明确的奇异强子态，X(3872)。随后，几种新的奇异强子陆续被发现。只有四种组分夸克才能解释它们的性质。五夸克态的确认要更为复杂。2015年，LHCb实验首次观测到了五夸克态。所有这些已知的强子都至多包含两个重夸克（底夸克或粲夸克）。
最近，通过对质心能量高达13 TeV的质子-质子对撞所产生的J/ѱ介子对不变质量的研究，底夸克探测器实验组观测到了两个全新的结构。其中较窄的峰状结构可被描述为一个质量约为6900 MeV/c2的强子态，记作X(6900)。由于J/ѱ介子包含一个粲夸克与一个反粲夸克，这个新粒子应为一个四粲夸克态。另一个较宽的结构接近两倍J/ѱ质量的阈值，可能是另一个较宽的四粲夸克态或几个四粲夸克态的叠加。
“首次观测到四粲夸克态是一个很大的惊喜。这个全新的粒子态有着独特的组成，为我们研究强子内部的强相互作用提供了理想场所”，LHCb合作组成员，意大利国家核物理研究院（INFN）佛罗伦萨组博士后，此项目的主要参与者安刘攀说。
强相互作用一般用量子色动力学描述，但迄今尚无能用于解释强子内部结构的第一性原理计算。为了描述夸克组成强子的束缚机制，理论家们引入了各种量子色动力学的近似模型。在分子态的图景中，奇异态像氘核一样，是由两个较松散地束缚在一起的常规强子组成。目前，人们倾向于认为X(3872)和此前由LHCb观测到的五夸克态具有分子态结构。而理论预期，只包含重夸克的强子由夸克紧密束缚形成。以四粲夸克态为例，它通常被认为是由双粲夸克和双反粲夸克互相吸引而形成。双粲夸克模型曾经成功预言LHCb于2017年发现的Ξcc++的重子的质量。现存强子通过强相互作用的二次散射也有可能形成类似强子态的结构。现有理论倾向于认为此次发现的四粲夸克态是紧密的四夸克结构，但它的性质还有待确认。
作为此次发现的主要参与者，北京大学的张艳席老师说道：“此次底夸克探测器的观测结果为多夸克强子谱形的研究打开了一扇全新的大门。更多的实验及理论方面的研究将为我们理解四粲夸克态的性质提供机会。”“如果四夸克的解读是正确的，我们将有希望通过LHCb不久后收集的数据发现这些紧密束缚态的完整谱形。量子色动力学模型对这些态的质量和宽度有较高精度的预言。相应的测量可以帮助我们理解强子间的基本相互作用。”INFN佛罗伦萨组的贾科莫•格拉齐亚尼（Giacomo Graziani）研究员补充道。
底夸克探测器是欧洲核子研究中心（CERN）的当前世界上能量最高的粒子加速装置——大型强子对撞机上的四个大型实验装置之一。底夸克实验致力于进行包含粲夸克和底夸克粒子的精确测量，以期探索物质与反物质的不对称性之谜，寻找新物理的间接证据，以及研究强相互作用的性质。底夸克实验合作组由来自世界各地的1400多名物理学家及工程师组成。
“这是我们在强子内部结构和动力学研究上迈出的重要一步，”底夸克实验中国组负责人，北京大学教授高原宁教授说，“底夸克实验再次展现了它在重味强子谱形研究上的能力，它会继续为推动我们对强相互作用的理解作出贡献。”
经过实验家与理论家数十年的探索，强相互作用依然在源源不断地展现令人们意想不到的新结构和新现象，未来有更多的惊喜在等待着被发掘。
更多详情请阅读原文：
LHCb collaboration. Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum. Science Bulletin, 2020, 65(23)1983-1993
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320305685
http://engine.scichina.com/10.1016/j.scib.2020.08.032
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Science Bulletin