国科大粒子物理实验团队实验上首次发现双电荷四夸克态

 实验粒子物理实验室

        2023年7月27日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)正式发表了由我校粒子物理实验团队主导的在欧洲核子中心LHCb实验上发现的首个双电荷四夸克态物理结果，同时还发现了中性的四夸克态伙伴。该论文以LHCb合作组署名发表在Physical Review Letters 131, 041902 (2023)，并选为当期编辑推荐文章(Editors’ Suggestion)和“Feature in Physics”，在美国物理学会网站以“A Pair of New Tetraquarks”为标题进行了报道。该研究同时发表了一篇详细的长文章Physical Review D 108, 012017(2023)，报道了更多的分析细节。

实验上发现双电荷四夸克态及其中性伙伴

        团队通过分析LHCb实验上采集的海量质子-质子对撞数据，在底介子衰变中的带电奇异粲介子(夸克成份为1个粲夸克和1个反奇异夸克)和带电Π介子末态中观测到了一个带有双电荷的粒子，衰变性质与普通介子相似。但普通介子由两个夸克组成，最多携带一个电荷，因此新粒子内部要求包含至少四个夸克。同时还在同位旋对称的衰变末态中，发现了该粒子的中性伴随态。这两个粒子发现的统计显著性均大于6倍标准偏差。这是首次在实验上发现双电荷四夸克态强子，而且是同时发现两种全新夸克组分的强子伙伴。

        此次发现的四夸克态内部结构非常奇特：包含了四种不同类型的夸克成份，上夸克、下夸克、奇异夸克和粲夸克各一个，涵盖了前两代的所有夸克，测量得到它们的质量约为质子质量的3.1倍。本研究结果于2022年7月公开，在欧洲核子中心网站和英国BBC网站报道，相关的期刊论文在今年1月份被PRL和PRD接受发表，但受国际形势的影响，最近才正式发表。

发现的两个四夸克态的夸克成份示意图

        理论上双电荷粒子内部四个夸克均为同号电荷，会存在更强的库伦排斥力，其内部的强相互作用会比其他强子态更强，因此这两个四夸克态的发现为确认自然界中存在超出常规重子与介子的新物质形态提供了全新的实验证据，有助于加深我们对宇宙中物质最基本结构的理解。这引发了国际粒子物理同行的高度关注，可能的解释包括紧致的四夸克态或者含四个夸克的分子态等，至今已有20多项相关理论研究。值得注意的是，2017年中国朱世琳理论团队等曾预言了包含相同夸克成份的四夸克态存在，计算的质量与本实验结果一致。

        国科大粒子物理实验团队长期以来致力于四夸克奇特强子态的研究，并取得了一系列重要的成果。团队负责人郑阳恒教授、骨干吕晓睿教授、钱文斌教授和刘倩副教授一起带领研究生和国科大本科生主导完成了该研究成果。特别要指出的是该团队研发的振幅分析基础软件工具TF-PWA在相关研究中发挥了关键作用。

        LHCb实验是欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的粒子物理实验装置之一，是国际上研究新型强子态的重要装置。该研究的参与单位还包括：英国华威大学、美国麻省理工学院、法国马赛粒子物理实验室、清华大学等。本研究成果得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国科学院、及教育部中央高校基本科研业务费专项资金等项目经费的支持。

详细信息：

《物理评论快报》在线发表链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.041902

《物理评论D》在线发表链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.012017

美国物理学会网站报道：https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.16.s42

振幅分析基础软件工具链接：https://tf-pwa.readthedocs.io/en/latest/