北京譜儀實驗組：打開尋找奇特態粒子的大門

　　編者按：近年來，在國家自然科學基金委員會的資助下，一大批在國內外具有重要影響的科研成果脫穎而出。本報從今天起開設“走基層 看創新——重大科研成果見聞”欄目，報道介紹一批2013年在國家自然科學基金資助下產生的重大成果。

　　人們對于構成物質世界的基本粒子的探索，總是永無止境。

　　在很長一段時間內，原子被認為是構成物質的最小微粒。直至20世紀初，物理學家才發現原子并不是最小的微粒。原子由原子核和電子組成，而原子核又由質子和中子組成，質子和中子則由更小的“小不點”——夸克組成。所有的物質均由6種夸克和6種輕子（如正、負電子，中微子等）組成，物理學家將其統稱為“基本粒子”。

　　如今，中國的科學家正在這一舞臺上作出重要貢獻。去年3月，北京譜儀（BES）Ⅲ實驗國際合作組宣布發現了可能的四夸克態Zc（3900）。今年，該合作組再度宣布發現性質類似的Zc（4020）/Zc（4025）。

　　在探索物質基本粒子的道路上，北京譜儀實驗組的科學家正在大步前行。

　　有點幸運的收獲

　　傳統的夸克模型認為，介子由一個夸克和一個反夸克組成，重子由三個夸克或三個反夸克組成。介子和重子統稱為強子，但在高能物理領域，描述強相互作用的理論并不排除以其他方式組成的粒子，例如多夸克態、膠子球、夸克膠子混雜態等。

　　長期以來，科學家對這些奇特強子的尋找從未止步。“盡管國際上很多實驗對強子譜進行了廣泛研究，發現了一系列新的共振結構，但由于數據的匱乏和理論的局限，尚不能確定這些粒子的屬性。”中科院高能所所長王貽芳介紹說。

　　北京譜儀實驗的科學家在“偶然”中發現了可能的奇特態粒子。

　　中國科學院大學教授、北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組聯合發言人鄭陽恒介紹說，2005年科學家發現一個用夸克模型很難解釋的奇特粒子Y（4260）。“我們在Y（4260）能區獲取數據樣本，試圖對其性質進行進一步探索。在這一過程中，北京譜儀實驗Ⅲ國際合作組發現了Zc（3900）。可以說，我們是比較幸運的。” 2013年3月26日，BESⅢ合作組對外宣布了這一發現。由于Zc（3900）含有一對正反粲夸克且帶有和電子相同或相反的電荷，提示其至少含有四個夸克——這極有可能是科學家長期尋找的介子分子態或四夸克態。

　　成功離不開基金委的資助

　　中國科學家的發現得到國際物理學界的高度評價。

　　《自然》雜志、《物理評論快報》等紛紛對該成果進行報道。國際物理學頂級期刊、美國物理學會主編的《物理》雜志將其選為2013年國際物理學領域重要成果。

　　在王貽芳看來，盡管BESⅢ實驗國際合作組采取國際合作組織的形式進行科學研究，但其實驗裝置在中國，“基本上都基于高能所北京正負電子對撞機上的大型通用探測器”。因此，90%以上的實驗基礎設施和軟件建設都由中國科學家完成，80%左右的數據分析也是由中國科學家承擔。

　　北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組發言人、中科院高能所研究員沈肖雁表示，北京譜儀實驗得到基金委、科學院和科技部的長期支持，對實驗組不間斷的經費支持使合作組的研究不斷取得突破。

　　她介紹說，從2009年到2014年，該項目科研人員得到多個基金委重點、面上及青年基金項目的支持，獲得經費約3000萬元；獲得基金委和科學院聯合基金項目的批準經費約2500萬元。“近5年來，有兩人得到基金委杰出青年基金資助，1人得到優青資助，已培養博士后12人、博士65人、碩士35人。”

　　“在基金項目的支持下，目前國內高校的高能物理實驗隊伍也在不斷壯大。”沈肖雁說。

　　探索永無止境

　　對于未知奇特態粒子的探索，科學家的腳步從未停止。

　　2014年，北京譜儀Ⅲ合作組又在進一步的實驗中發現了與Zc（3900）性質類似的Zc（4020）/Zc（4025）。實驗結果表明，Zc（3900）與此前發現的X（3872）、Y（4260）等粒子之間可能存在實質性的關聯，應放在統一的框架內進行理論研究。

　　自今年2月以來，合作組已在4.6千兆電子伏和4.42千兆電子伏能量處采集了大量數據。科學家希望能利用新的數據獲得進一步發現。

　　“為何選擇在這兩個能區獲取數據？因為我們希望尋找到可能的、質量更高的Zc（3900）的伴隨態。”沈肖雁介紹說，科研人員希望能發現更多的可能的多夸克物質，并對其性質作進一步探索和研究。

　　“對超出傳統夸克模型的新型強子態的尋找，一直是北京譜儀Ⅲ實驗最重要的物理目標之一。Zc（3900）等新共振態的發現，為尋找和研究新型強子態開啟了一扇大門。”沈肖雁表示。

　　未來科學家能否有新的發現？能否真正揭示這些奇特態粒子的真面目？對于這樣的問題，北京譜儀Ⅲ實驗國際合作組執行委員會委員、清華大學教授高原寧給出了意味深長的答案：“對于科學家來說，很多時候你并不知道將得到什么樣的結果。如果你提前知道答案，也許你根本不會去做。”

　　或許，這才是科學研究真正的魅力所在。