3月3日，歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research，CERN）大型强子對撞機（Large Hadron Collider，LHC）上底誇克探測器（Large Hadron Collider beauty，LHCb）實驗組宣佈，觀測到兩個含有全新誇克組分（cc[bar]us[bar]）的四誇克態Zcs（4000）和Zcs（4220），以及兩個新的含有cc[bar]ss[bar]的四誇克態X（4685）和X（4630）。北京大學物理學院、核子物理與核技術國家重點實驗室高原寧教授，清華大學工程物理系張黎明副教授和楊振偉副教授等組成的聯合研究團隊對此項發現作出突出貢獻。與此同時，歐洲核子研究中心還宣佈：最近十年，在大型强子對撞機上新發現的强子已達59個，平均每兩個月就有一個新强子被探測到。
1964年，美國物理學家蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和茨威格（George Zweig）提出誇克模型，認為質子和中子並非基本粒子，而是由三個誇克組成的，這類粒子稱為重子，另一類粒子則由一個正誇克和一個反誇克構成，稱為介子；重子和介子統稱强子。除了普通的重子和介子之外，蓋爾曼和茨威格還提出可能存在奇特類型的粒子，如在介子或重子中加入一對正反誇克，形成四誇克介子或五誇克重子。經過幾十年不懈探索，這些粒子的存在性終究得到了實驗證實。誇克模型的建立使人類對物質結構的認識一次次達到新高度；現時已知的誇克包括上誇克（u）、下誇克（d）、粲誇克（c）、奇异誇克（s）、底誇克（d）和頂誇克（t）六種。
藝術家對Zcs四誇克態的印象（圖片來源：CERN）
在底介子到粲誇克偶素、phi介子和帶電K介子的衰變過程中，LHCb研究團隊發現粲誇克偶素與帶電K介子組合的不變質量譜中存在明顯的增强結構。進一步的分析表明，該系統存在兩個共振態結構，分別被命名為Zcs（4000）和Zcs（4220）；這兩個共振態通過强相互作用衰變到粲誇克偶素和帶電K介子，故至少由cc[bar]us[bar]四個誇克構成。具有這一組分特性的四誇克態在實驗上十分稀有；此前，北京譜儀（BESIII）實驗於2020年11月宣佈發現可能含有奇异誇克的類粲偶素四誇克態Zcs（3985）。LHCb研究團隊還在粲誇克偶素和phi介子組合的不變質量譜中發現了兩個新的四誇克態X（4685）和X（4630）的存在。
張黎明副教授和北京大學物理學院2016級博士研究生許澤華是這次發現的主要完成人。許澤華等精確量測了這些新四誇克態的質量、寬度等參數，對於理解其內部結構具有重要意義。張黎明指出，BESIII實驗觀測到的Zcs共振態具有寬度窄、壽命長的特點，與通常討論的由相互作用衰變的介子態明顯不同，因而更像是兩個普通介子通過類似原子核間核力形式結合在一起，構成類分子態結構；而這次觀測到的Zcs共振態明顯較寬，與緊致結合的四誇克態更為相符。
LHCb是歐洲核子研究中心大型强子對撞機上的粒子物理實驗裝置，實驗合作組由來自18個國家和地區89個機构的1400餘名科研人員組成。2011—2018年，LHCb實驗獲取了大量質子-質子對撞數據，並以此為基礎發表了550餘篇學術論文。LHCb中國研究團隊創立於2000年，成員來自北京大學、清華大學等八所高校或科研院所，近年來取得一系列具有國際影響力的研究成果。“長期參加這樣的國際大科學合作，在世界規模最大、能量最高的科學裝置上從事前沿課題研究，與世界頂尖水准的科學家和多元文化背景的同行攜手探究物質的基本結構和相互作用，對於我們，尤其是青年教師和學生來說，不僅有利於自身研究能力的提升，更有助於不斷促進人類揭示自然界的奧秘。”LHCb中國研究團隊負責人高原寧教授高度評價國際合作研究對學科發展和人才培養的重要意義。
上述研究是由清華大學和北京大學的研究人員主導，LHCb國際合作組完成並發佈。相關論文預印本已發佈並投稿至《物理評論快報》（Physical Review Letters）。按照高能物理學界慣例，論文由合作組全體成員依作者姓氏英文字母順序共同署名。相關研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計畫資助，以及清華大學自主科研計畫和“雙一流”學科建設項目、北京大學“引導專項”的經費支持。
論文預印本連結：https://arxiv.org/abs/2103.01803
LHCb實驗官方報導：http://lhcb-public.web.cern.ch/lhcb-public/
歐洲核子研究中心官方報導：https://cerncourier.com/a/lhcb-observes-four-new-tetraquarks/
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