1 強子？奇特強子？
在這繽紛多彩的世界中，物質以各種狀態和形態呈現。描述物質基本結構和基本交互作用的理論稱為標準模型。標準模型中，物質是由六種誇克和六種輕子透過四種交互作用構成的，這是我們當前對物質結構的基本認知。
六種誇克分別叫作上(up)、下(down)、奇異(strange)、粲(charm)、底(bottom)、頂(top)誇克；六種輕子分別為電子( e )和電子微中子( ve )、繆輕子( μ )和繆子微中子( vμ )、陶輕子( τ )和陶子微中子( vτ )。四種基本交互作用包括重力交互作用、電磁交互作用、強交互作用和弱交互作用，其中前兩者是宏觀的力，是我們日常生活中的一部份，後兩者只在很小的尺度內起作用，在日常生活中感受不到，例如強力只在10-15公尺尺度內有顯著作用。
誇克總是以「團體」出現，它們被強力束縛在一起形成強子，分為由一對正反誇克組成的介子和由三個誇克組成的重子，這一簡單的影像叫作誇克模型。例如，最輕的強子π由 u 和
誇克組成，組成原子核的質子由 uud 組成，而J/ψ和 hc 等被稱作粲偶素的粒子由一對正反魅夸克組成。粒子物理理論允許內部結構更加復雜的強子存在，如內部含有四個或更多誇克的多誇克態、由兩個或多個介子或重子束縛在一起的強子分子態、由誇克和處於激發態的膠子(膠子是傳遞強力的媒介粒子)組成的混雜態、只含有膠子的膠球等，這些粒子通常被稱為奇特強子(圖1)。
圖1 奇特強子示意圖
發現奇特強子一直是粒子物理研究的目標，雖然經過多年的不懈探索，這一目標仍未達成。在粒子物理的發展行程中，也曾經出現過被認為是「奇特強子」但隨後又被證實並不存在的粒子，如著名的疑似五誇克態Θ(1540)。故事在2003 年出現轉折，2003 年12 月，位於日本的Belle 實驗發現了一個非常窄的結構，命名為 X (3872)。由於它性質奇特，很難解釋為通常的粲偶素介子，很快被認為是奇特強子候選者，這也激發了人們在其他末態含有重誇克偶素(如由一對正反魅夸克組成的粲偶素和由一對正反底誇克組成的底偶素)的系統中尋找奇特強子的興趣。2005 年，位於美國的BaBar 實驗發現了一個新的結構 Y (4260)，因為其衰變性質的奇特行為， Y (4260)也被認為是奇特強子候選者。這些在粲偶素能區發現的奇特強子被稱作類粲偶素或者XYZ粒子，括弧中的四位數位通常表示粒子發現時的品質，以MeV為單位。雖然人們認為 X (3872)和 Y (4260)是奇特強子候選者，但是並沒有確切的證據證實它們就是奇特強子，這主要是因為它們都是電中性的，無法完全排除它們是粲偶素的可能性。因此，如果能在實驗上找到攜帶電荷的類粲偶素，它們應當是確定的奇特強子。
2 BESIII 實驗上的類粲偶素研究——發現「四誇克物質」之前
北京正負電子對撞機(BEPCII)上的北京譜儀III(BESIII)實驗自2008 年開始執行並采集數據，在粲偶素和類粲偶素研究方面具有獨一無二的優勢。BESIII 實驗可以直接在粲偶素能區采集正負電子對撞數據，實驗背景幹凈並且探測效率高。
2010 年夏季，BESIII 國際合作組年會在沈陽召開，BESIII 實驗的粲偶素研究團隊提出在 ψ (4040)(向量粲偶素， J / ψ 粒子的徑向激發態)附近采集數據，用來尋找尚未發現的激發態粲偶素和研究已經發現的 X (3872)等類粲偶素。這個數據采集計劃在同年10 月獲得批準，計劃使用一到兩個月的時間在 ψ (4040)附近采集積分亮度(亮度是指單位時間內探測到的事件數與交互作用截面的比值，積分亮度為亮度在時間維度上的積分。實驗數據的積分亮度越高，事件數也就越多。)為300 pb-1的數據。計劃獲得批準之後，粲偶素物理組組織成立了專門的類粲偶素工作小組，組會每兩周召開一次，為數據采集作準備並開展物理分析預研究。2011 年5 月3日到6 月1 日間，BESIII 實驗在質心能量為4007.6MeV處采集了積分亮度為482 pb - 1的數據。得益於加速器和探測器優異的工作狀態，在預期的一半時間內就采集到了期望數據量的1.6倍。
使用這批數據，類粲偶素工作小組的成員對粲偶素之間、粲偶素和類粲偶素之間的躍遷過程，粲介子對產生過程， Ds 介子(由魅夸克和奇異誇克組成的介子)衰變過程等進行了研究。觀測到了 e + e -→π+π- J / ψ 過程和 e + e -→η J / ψ 過程，但是沒有發現顯著的 e + e -→ γX (3872)訊號。
3 發現「四誇克物質」 Zc (3900)
ψ (4040)數據的成功采集增強了BESIII 合作組在更高能量點采集數據的信心。新的數據采集計劃於2011 年11 月提出，初始的計劃是在質心能量4210 到4460 MeV之間6 個能量點采集積分亮度共計600 pb-1的數據。經過更仔細的靈敏度分析和深入討論，在2012 年3 月的合作組會上，取數計劃修改為在4260 和4360 MeV兩個能量點采集積分亮度共計500 pb-1的數據。2012年6月取數計劃被批準，決定在4260 和4360 MeV兩個能量各采集500 pb-1的數據。2012 年12 月14 日，BESIII 合作組首次在4260 MeV采集數據，在30 天內就完成了預期需要50 天的數據采集任務，隨後BESIII 實驗組在29 天內完成了4360 MeV 處500 pb-1的數據采集。數據采集期間，加速器和探測器都處於非常穩定的工作狀態，既定的任務得以提前完成。利用剩余的時間，BESIII 實驗組在4190 到4420 MeV 之間5 個能量點各采集了約50 pb-1數據，用於研究這個能量區間向量共振態的線型。這都是BEPCII 加速器首次達到的最高能量。
數據采集過程中，工作小組成員就開始對數據品質進行檢查並使用新數據對各種物理過程進行分析，2012 年12 月26 日的類粲偶素小組組會上，成員就報告觀測到了 e + e -→ π+π- J / ψ 和 e + e -→ π+π- hc 過程( J / ψ 和 hc 都是粲偶素)。新的發現極大地激發了大家的工作熱情，小組成員都充滿激情，組會討論常常會持續三到四個小時，數據刻度、重建和檢查工作同時也在緊張高效地進行。
在2013 年2 月的合作組會上，類粲偶素小組成員報告在 e + e -→ π+π- J / ψ 和 e + e -→ π+π- hc 過程中分別發現了新粒子。新粒子均攜帶電荷，分別衰變到π± J / ψ 和π± hc 末態，因此至少含有四個誇克，這一發現使得整個合作組都處於非常興奮的狀態，各種交叉檢查確認很快就被組織起來。在π± J / ψ 末態發現的新粒子品質位於3900 MeV附近(如圖2(a)所示)，被命名為 Zc (3900)。整個合作組通力合作，僅僅兩個月的時間，就完成了 Zc (3900)分析備忘錄的準備和審查、論文的撰寫和修改工作，文章於2013 年3 月24日投稿至預印本庫arXiv和【物理評論快報】。
圖2 BESIII 實驗發現的「四誇克物質」 Zc (3900)和 Zc (4020)。圖中帶誤差棒的點為實驗數據，實線表示擬合結果，虛線代表本底過程的貢獻，綠色直方圖為使用數據估計的末態粒子中沒有 J / ψ ( h c )的本底貢獻
2013 年3 月30 日，在BESIII 送出論文不到一個星期，日本的Belle 實驗組也向arXiv 和【物理評論快報】送出了發現 Zc (3900)的工作，使用的物理過程正是發現 Y (4260)的初態放射線過程。 Zc (3900)是第一個在實驗上確認的含有至少四個誇克的，很快也在美國CLEO-c 實驗4170 MeV處采集的數據中得到證實。
2013 年6 月17 日，BESIII 實驗組的結果和Belle 實驗組的成果在同一期【物理評論快報】上發表。【物理評論快報】編輯對論文進行了推薦並邀請著名強子物理學家Eric Swanson 作了題為「New Particle hints at four-quark matter(新粒子暗示存在四誇克物質)」的熱點評論。評論中指出「此類束縛態此前從未被發現過；如果它的四誇克解釋得到確認，粒子家族中就需要加入新成員，我們對誇克物質分類的理解也將進入新的領域。」。次日，【自然】雜誌發表了題為「Quark quartet opens fresh vista on matter(誇克「四重奏」開啟了物質世界的新大門)」的報道。 Zc (3900)的發現在粒子物理學領域掀起了新的熱潮，引發了持續熱烈的討論，截至此文撰寫之際，依據INSPIRE 檢索，文章已經被參照超過一千次，是BES、BESII 和BESIII 實驗30 多年來參照次數最多的文章。
2013 年12 月，在π± hc 末態發現的另一個帶電類粲偶素 Zc(4020)的結果也在【物理評論快報】正式發表並被雜誌編輯推薦 (圖2 右圖)。同年，發現Zc(3900)和Zc(4020)粲介子對末態衰變的論文也被送出到arXiv。2013 年12 月30 日，美國物理學會主編的【物理】雜誌公布了當年物理學領域的十一項亮點成果，位於首位的就是「發現四誇克物質」。入選的理由是：「目前的實驗結果表明強子是由兩個或三個誇克組成的，今年夏天，位於中國的BESIII 實驗和位於日本的Belle 實驗分別報告，聲明在正負電子對撞過程中發現了一個神秘的含有四個誇克的粒子，命名為Zc(3900)。雖然Zc(3900)的性質可能存在其他解釋，但「四誇克態」的解釋獲得了更多關註；BESIII 實驗隨後又發現了一系列含有四個誇克的粒子。」
4 現狀和展望
至今，在實驗上已經發現了超過十個 Z c 粒子，中國的BESIII 實驗、日本的Belle 實驗和位於歐洲核子中心的LHCb 實驗是這些粒子的主要發現地。結合 X 和 Y 粒子、 Pc 粒子(含有五個誇克的物質)的發現，似乎我們正在經歷類似20 世紀五六十年代井噴式發現眾多強子的歷程。雖然目前人們對這些新粒子的內容尚無明確的結論，但是這些發現使得粲偶素研究成為粒子物理最活躍的領域之一。
BEPCII 加速器將於2024 年夏天進行升級，升級之後的最大質心能量將達到5.6 GeV，同時在4.7GeV處的亮度預計將提高到現在的3 倍，達到1.1× 1033cm-2s-1，使BESIII 實驗在類粲偶素研究上的潛力大大提高。相信也期待透過不懈的探索，BESIII實驗能再次做出世界級的發現。升級後的Belle 實驗——Belle II 實驗已經正式執行，目前已經在低偶素能區采集了約400 fb- 1 正負電子對撞數據，是Belle 實驗數據量一半，預期將采集Belle 實驗數據量的50 倍。LHCb實驗已經采集了9 fb-1質子-質子對撞數據，在經過了升級之後正在采集新的數據，預期在2024 和2025 年將采集約15 fb-1數據。中國正在籌劃的超級陶粲裝置(STCF)是新一代的正負電子對撞機，其對撞能量為2-7 GeV，亮度是BESIII實驗的50 倍，將為研究奇特強子提供海量數據。更大的數據樣本必然將為類粲偶素研究帶來新的實驗發現或者更加精確的測量結果，為理解物質結構和強交互作用規律帶來新的機遇。
郭玉萍
復旦大學
