十多年来，CMSCollaboration是一个由来自世界各地不同研究所的研究人员组成的大型团队，一直在分析紧凑型Muon螺线管(CERN大型强子对撞机(LHC)的通用粒子探测器)收集的数据。这项大规模的国际科学合作一直试图观察各种难以捉摸的物理现象，包括奇异粒子和暗物质候选者。

在最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，CMS合作组织报告了三种奇异的全重夸克结构。这些结构似乎是一个共同家族的一部分，可以为粒子物理研究开辟新的有趣途径。

该论文的合著者、南京师范大学和清华大学的易凯教授告诉Phys.org：“我们日常生活中遇到的几乎所有物质都是由三种粒子组成的：电子、质子和中子。”。“据我们所知，电子是基本的，但另外两个是由夸克的三重体组成的。粒子的夸克模型于1964年提出，到20世纪70年代初，有令人信服的证据证明其正确性。”

1964年推出的模型将夸克描述为紧密束缚的粒子，它们之间的联系如此紧密，以至于它们不能单独存在，只能以束缚夸克三重态(qqq)或夸克-反夸克(qq-)双峰的形式被观察到。物理学家已经识别出大量紧密束缚的夸克系统，也称为“强子”。

“这些夸克系统数量巨大，但除了质子和中子之外，它们的存在时间非常短暂，”易教授解释道。“1964年的夸克理论有一个漏洞，也许，只是也许，夸克的四重奏和五重奏也可能形成粒子，这些粒子被称为‘奇异’强子。几十年来，物理学家一直在考虑这种可能性，但这只是一种边缘。活动。”

长期以来，观察奇异强子似乎是一个具有挑战性且难以捉摸的研究目标。原因之一是现有的实验工具只允许物理学家寻找完全由轻(u、d、s)夸克组成的奇异系统，而这些系统很难与普通强子区分开来。

“随着更强大的粒子对撞机的出现，包含更重(c，b)夸克的系统变得越来越清晰——夸克越重，数量越多，系统就越容易理解，”易教授说。“单个粲(c)夸克的质量约为质子的一倍半，底(b)夸克的质量约为质子的五倍，而单个u和d夸克的质量小于质子的质量。大约是质子质量的0.5%。”

2003年，日本BelleCollaboration的一篇论文通过揭示X(2872)引发了人们对奇异系统的新兴趣，该论文被提议为可能的cc-qq-系统(即包含两个重夸克的系统)。这为新的研究铺平了道路，引入了其他包含粲夸克甚至底夸克的奇异强子候选者，暗示了四夸克和五夸克系统的存在。

尽管做出了这些努力，奇异强子的内部结构仍然是个谜，因为报道的系统包括轻夸克，因此本质上很难建模。因此，对仅由重夸克组成的系统的观察可以打开一扇了解奇异结构的新窗口，使物理学家能够更好地理解夸克之间的强相互作用。

“重夸克的问题在于它们很难制造，”易教授说。“朝这个方向迈出的一步是找到u夸克或d夸克被s夸克取代的系统。虽然s夸克仍被认为是轻夸克，但其质量大约是au夸克质量的40倍。2009年，这一目标是通过发现Y(4140)，现在称为chi_c(4140)，它是cc-ss-四夸克的候选者(即，第一个没有任何非常轻的(u,d)夸克的奇异候选者)。”

chi_c(4140)的发现鼓励更多的研究团队寻找完全由c夸克和d夸克组成的结构。在确认该系统的存在后，CMS也开始寻找衰变成J/psi粒子对或Upsilon粒子对的系统。

“J/psi是cc束缚态，Upsilon是bb束缚态，因此衰变成这些粒子对的东西将是全重四夸克的引人注目的候选者，”易教授说。“利用2011年和2012年LHCRunI收集的数据，CMS确实发现了两种J/psi-J/psi结构的线索，但当时没有足够的数据来做出令人信服的主张。”

2019年，CMS合作恢复了对衰变成J/psi或Upsilon粒子对的全重夸克系统的搜索，这次使用的是2016年至2018年在CERN大型强子对撞机上收集的数据(运行II)。然而，第一个被称为X(6900)的粒子最终被CERN的另一项研究工作(即大型强子对撞机实验)观测到。

“LHCb实验是第一个走出大门的实验，他们报告X(6900)将于2020年衰变到J/psi-J/psi，”易教授说。“然而CMS继续他们的工作，我们最终通过识别三个J/psi-J/psi结构获得了回报：确认X(6900)并报告了两个新结构，称为X(6600)和X(7100)。”

作为这项最新研究的一部分，CMS团队专门寻找J/Psi介子对。这些粒子是全重夸克系统的强大探测器，因为它们可以在大型强子对撞机中被清楚地识别，其中环境复杂且以高强度pp碰撞为标志。

“在这项研究中，分析团队根据RunI的信息在RunII中设计了一种搜索策略，而没有实际查看数据。这种方法称为‘盲’分析，可以非常有效地避免潜在的偏差，例如欺骗自己似乎找到了人们认为应该或想要找到的东西，在新数据最终揭晓后，这三个结构就跳出来了，”易教授解释道。

使用这种盲分析策略，易教授和他的CMS合作者能够确认LHCb合作先前检测到的结构的存在，同时还揭示了两个全新的结构。这三个结构似乎属于同一全重夸克系统家族的一部分。

“虽然这可能不是唯一可能的解释，但三种结构量子力学相互干扰的模型很好地描述了CMS数据，”易教授说。“这要求所有三个都具有相同的量子特性，并进一步表明这些状态是一个激发四夸克族。”

CMS合作报告的三个全重夸克结构为有关奇异强子的性质和内部结构提供了重要的新线索。具体来说，他们指出了物理学家可以应用强相互作用理论的新体系：“量子色动力学”体系。

“CMS现在正准备改进对这些状态特性的测量，”易教授补充道。“新数据提出了一种新的令人兴奋的可能性，即寻找纯粹由更重的底夸克组成的可能的奇异状态。”

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