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国科大团队首次实验上发现含奇异夸克的隐粲四夸克态信号

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北京谱仪III实验上首次发现四夸克态Zcs(3985)信号(红色阴影部分)。 

        2021年3月11日,《物理评论快报》(Physical Review Letters)正式发表了由国科大粒子物理实验团队联合兰州大学团队主导的在北京谱仪III实验上发现的首个含奇异夸克的隐粲四夸克态物理结果。该论文以北京谱仪III合作组署名发表在Phys. Rev. Lett. 126,102001 (2021),并选为当期编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)和“Feature in Physics”,在美国物理学会网站以“New Tetraquark Spotted in Electron-Positron Collisions”为标题进行了报道。在该研究中,团队通过分析北京正负电子对撞机上北京谱仪III实验2020年疫情期间采集的对撞数据,在含有奇异夸克的粲介子衰变末态中发现了四夸克粒子Zcs±(3985)的信号,质量为39.8亿电子伏特,相当于质子质量的4倍还多,带有1个单位电荷, 且衰变到1个中性粲介子(夸克成份为1个粲夸克和1个反上夸克份cu)和1个带电的含奇异夸克(s)的粲介子(夸克成份为1个反粲夸克和1个奇异夸克cs),所以它必然包含至少四个夸克的成份(1对正反粲夸克、1个奇异夸克和1个反上夸克ccsu)。这是国际上首次发现含有奇异夸克的隐粲四夸克粒子Zcs 信号。该成果在arXiv预印本网站发表后不久,已经引发了近30篇相关研究工作的发表。

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 四夸克态Zcs在正负电子对撞机上产生示意图。

        北京谱仪III实验在2013年曾发现了一系列隐粲四夸克粒子 Zc(3900)  和 Zc(4020) 的信号,它们的夸克成份为1对正反粲夸克以及1对正反上夸克和下夸克 (ccdu)。“此次发现的含奇异。“此次发现的含奇异夸克的 Zcs 四夸克态与之前发现的 Z态的夸克成份相似,有很多相通的物理性质。”现任北京谱仪III实验联合发言人、我校澳门新浦新京8455com吕晓睿教授表示,“但 Zcs 由于含有更重的奇异夸克,质量变得更大,其内部结构和衰变性质变得有所区别。这都值得后续在理论和实验上做进一步研究。”

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 北京谱仪III实验探测谱仪示意图。

        北京谱仪III实验合作组国科大团队负责人郑阳恒教授指出:“含奇异夸克的 Zcs 四夸克态是国际粒子物理界期望能在实验上找到的。北京谱仪III实验上带电四夸克态 Zcs(3985) 的首次发现,对我们进一步理解奇特强子性质和非微扰强相互作用性质,给出了关键实验依据。”

        北京谱仪III实验合作组国科大团队的刘倩、吕晓睿、郑阳恒在2020年疫情期间人员紧张的情况下积极承担实验运行值班任务,保证了实验仪器不间断顺利运行,均获得了北京正负电子对撞机国家实验室颁发的“运行贡献奖”!

         本研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院以及中国科学院大学科研项目的大力支持。

背景信息:
         北京谱仪III实验是运行在北京正负电子对撞机上通用探测谱仪,是国际上唯一运行在粲能区的大型高能物理实验研究装置,实验合作组由来自16个国家76家单位超过500余位科学家组成,其中国外科研单位占一半左右。    众所周知,原子核由更小的粒子质子和中子组成,而质子和中子则由更基本粒子夸克通过强作用力吸引在一起组成的。目前科学界公认的描述质子和夸克这些粒子的理论称为标准模型,其中夸克分为三代共6种夸克和相应的反夸克,强力把多个夸克束缚在一起形成强子,包括在实验上确认的含2个夸克的介子(如 介子和K介子)和含3个夸克的重子(如质子和中子)。但是他们的兄弟粒子还应包括含有4个夸克的四夸克粒子和含5个夸克的五夸克粒子,但相关的实验研究并不充分。因此多夸克强子的实验研究,对于完善我们对宇宙中物质最基本结构的理解具有重要科学意义,是国际粒子物理界当前的热点问题。 

详细信息:

《物理评论快报》在线发表链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.102001

美国物理学会网站报道:https://physics.aps.org/articles/v14/s33 

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