破譯四夸克世界

奇異強子

迄今為止，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）已經發現了80種粒子。除了著名的希格斯玻色子之外，其余的粒子都是強子。

1964年，蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）各自相互獨立地提出：強子（如質子和中子）并不是基本不可分的，而是由更基本的粒子——夸克組成。

由一個夸克和一個反夸克構成的粒子被稱為介子，由三個夸克構成的粒子被稱為重子。根據蓋爾曼和茨威格的預測，除了常見的二夸克和三夸克之外，強子家族還包含由四個或五個夸克組成的“奇異態”——這正是LHC最令人驚嘆的發現之一，它證實了由四個或五個夸克構成的奇異強子的存在。然而，物理學家仍然不確定這些奇異強子的內部結構究竟是什么樣的。

一些模型認為它們是緊密結合的四夸克或五夸克態，一些模型則將它們視為兩個標準強子之間的松散束縛態，還有一些模型認為它們可能同時具有這兩種特征。

四夸克的結構：左邊顯示的是四個夸克在強力的作用下束縛成一個整體；右邊顯示的是夸克兩兩配對形成兩個介子，再通過核力松散束縛在一起。（圖片素材/Nature）

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，LHC的緊湊渺子線圈（CMS）合作組首次對三個全部由粲夸克組成的四夸克進行了量子數測量，揭示的結果更傾向于它們是緊密結合的四夸克態這一解釋。

測量全粲四夸克的量子數

夸克共有六種類型：上、下、粲、奇、頂、底。到目前為止，在LHC和其他對撞機上發現的四夸克和五夸克態，通常都包含一個粲夸克及其對應的反粲夸克，其余的兩到三個夸克一般是上、下或奇夸克（及它們的反夸克）。但近年來，科學家也發現了其他類型的組合。尋找并研究這些不同類型的四夸克與五夸克態，有助于物理學家更好地理解強力是如何把夸克束縛在一起的。

在2020到2024年間，LHC的三個不同實驗先后觀測到了全部由粲夸克組成的四夸克態。這些“全粲”四夸克是由兩個粲夸克與兩個粲反夸克構成，它們是在高能質子束對撞中產生的。相比由較輕夸克組成的同類粒子，“全粲四夸克”提供了一個更極端、但在理論上更易于控制的研究平臺，用于理解強力。

目前，在LHC觀測到的三個具有不同能量特征的全粲四夸克態，分別被命名為：X(6900)、X(6600)和X(7100)，括號中的數字表示它們的大致質量，單位MeV。其中，質量排名第二的X(6900)最早由LHCb合作組于2020年發現，隨后ATLAS與CMS合作組也分別獨立確認了它的存在。另外兩個則是由CMS實驗發現。

為了探測這些全粲四夸克的結構量子性質，研究團隊分析了CMS在第二次運行期間（2016–2018年）收集的數據。通過研究每個X粒子衰變為兩個J/ψ粒子（J/ψ 由一個粲夸克–反粲夸克對組成），而每個J/ψ又進一步衰變為兩個μ子，研究人員測量了三種量子數：

• 宇稱（

  P

  ）：決定一個粒子是否與其空間鏡像具有相同的性質；

• 電荷共軛（

  C

  ）：描述粒子是否與其對應的反粒子具有相同的性質；

• 總角動量（

  J

  ）：表示強子的總角動量。

對于這三種四夸克態，他們的結果顯示：

• P

• C

• J

  = 2

這一結果雖然未排除任何一種結構模型，但更支持緊密結合的四夸克態的解釋，同時也與先前理論計算一致。

奇異態的未來研究

夸克是標準模型的核心組成，標準模型是描述了基本粒子及其相互作用的理論。在此基礎上研究奇異強子，有望加深物理學家對強力的理解。反過來，這些知識不僅可以幫助解釋強子是如何在大爆炸后的數微秒內形成的，也有助于改進中子星結構模型，甚至能夠為物理學家尋找超越標準模型的新物理現象提供新的洞見。

隨著現有粒子加速器和相關實驗設施的升級、探測器性能提升、碰撞次數增加，未來將有望觀測到更多奇異態。此外，一些正在設計中的新設備將被專門用于產生奇異粒子，屆時，它們不僅能改進現有的實驗方法，還將探索產生奇異強子的全新途徑。

憑借下一代實驗，物理學家希望能探測到那些已經被理論預測，但仍未被發現的奇異強子，并發展出更多能夠解析其結構的新方法。

#參考來源：

https://home.cern/news/news/physics/deciphering-heavyweights-tetraquark-world

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09711-7

https://www.nature.com/articles/d41586-025-03591-7

#圖片來源：

封面圖&首圖：CERN