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打开物质世界新的大门——苑长征团队粒子物理实验研究成果
2015-12-23
众所周知，自然界的物质是由微观原子构成的，原子由位于中心的原子核与核外的电子构成，原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。质子和中子也有内部结构，它们由一种叫做夸克的粒子构成。夸克模型指出，夸克是自然界的基本物质结构单元。长期以来，人们发现夸克以两种形式组成物质，分别是由3个夸克构成的粒子（称为重子）和由正反夸克对构成的粒子（称为介子）。夸克不能单独存在于自然界，实验上，人们也从来没有观测到单独存在的夸克。既然夸克只能成团地组成物质，那么一定有一种相互作用力将夸克们束缚起来。这种力只作用在极小的空间尺度（小于原子核尺寸10-15m），其作用比人们认识的其他作用力（电磁力、引力、弱力）都更强，因而被人们称为强作用力。重子和介子都是由夸克通过强作用力束缚起来的粒子，因而也被统称为强子。虽然夸克模型能够很好地对实验上观测的强子分类，但是却对夸克之间的强相互作用力缺乏精确描述。
尽管粒子物理学家们普遍认为多于3个夸克的多夸克态在物质世界应该存在，然而让粒子物理学家困惑不已的是在过去三十多年的实验研究中还没有找到无可辩驳的实验证据。实验上人们一直在努力寻找奇特态强子。物质结构一旦超越介子和重子范畴，将是对强相互作用认识的重大突破，无疑会帮助人们加深对物理基本规律以及宇宙基本物质的形成的理解。
发现“四夸克物质”Zc(3900)和Zc(4020)
2013年，利用运行在北京正负电子对撞机（BEPCII）上的北京谱仪（BES Ⅲ）采集的实验数据，BES Ⅲ团队发现了带电类粲偶素Zc(3900)，并随后发现其伴随粒子Zc(4020)。
2012年12月14日至2013年1月14日，BES Ⅲ实验在4.26GeV采集了大样本数据，观测到约1500个含有一对π+π-粒子和一个J/ψ粒子的事例，其中约四分之一的事例中含有Zc(3900)信号。Zc(3900)含有粲偶素中的粲夸克和反粲夸克成分，同时带有跟电子相同或相反的电荷，这与粲偶素只含有粲夸克和反粲夸克从而都不带电不同，提示其中至少含有４个夸克。
2013年6月17日，发现Zc(3900)的论文在《物理评论快报》正式在线发表。6月18日，《自然》杂志就此发表了题为Quark quartet opens fresh vista on matter（夸克“四重奏”打开了物质世界一扇崭新的大门）的新闻报道，报道称找到一个四夸克构成的粒子将意味着宇宙中存在奇特态物质。值得指出的是，在BESIII实验宣布该发现1周后，日本的Belle实验也报道发现了相同粒子，美国西北大学的科学家随后利用美国CLEO-c实验数据证实了Zc(3900)粒子。
Zc(3900)发现之后，BESIII团队对e+e-→π+π-hc过程进行了研究，在π±hc不变质量谱上发现了新的被命名为Zc(4020)的共振结构。与发现Zc(3900)类似，Zc(4020)也是在末态中含有一个带电π粒子和一个粲偶素粒子（hc）中发现的，具有与Zc(3900)类似的性质。Zc(4020)是继Zc(3900)之后在实验上发现的另一个至少由四个夸克组成的共振结构，为揭示奇特态粒子的性质提供了重要信息。实验结果发表在《物理评论快报》上，同时被该刊编辑特别推荐。
Zc(3900)和Zc(4020)的发现被美国物理学会主编的《物理》杂志评为2013年物理学领域十一项重要成果，并入选2013 年度“中国科学十大进展”。
发现类粲偶素Y(4660)、X(4350)等
粒子物理实验是粒子物理发展的关键，其特点是多学科和技术的综合，涉及和用尽几乎所有前沿的高技术，规模庞大、周期长且需要大量资金投入。由于高能量的加速器实验需要很多的先进技术和资金的投入，近年来大型加速器的建造往往依赖于多个国家的合作。我国科学家除了拥有北京正负电子对撞机外，还广泛参与了国际合作，作出了显著的贡献。其中就包括位于日本筑波高能加速器研究机构具有更高能量的正负电子对撞机实验。
苑长征及其Belle团队利用Belle实验收集的数据，在e+e-→π+π-ψ(2S)过程中非常清楚地观测到两个共振态信号，Y(4360)和Y(4660)，前者曾被其他实验观测到，而后者则是在世界上首次发现的新粒子，也是目前为止世界上发现的质量最高的类粲偶素态。与预计相反，Y(4660)的宽度比所有已知的高能矢量粲偶素都小，预示其可能不是常规的粲偶素粒子。在双光子过程γγ→φJ/ψ中，也观测到一个新的结构，并将它命名为X(4350)。这些新粒子受到了国内外同行的高度关注，Y(4660)被收录在粒子物理界人手一册的《粒子物理手册》中。
值得指出的是，在2013年之前中国国内仅三家单位(中国科学院高能物理研究所、北京大学、中国科学技术大学)参与Belle实验研究。苑长征研究团队的主要成员之一，沈成平于2013年3月以青年千人计划的身份加入北京航空航天大学开始组建粒子物理实验研究团队。经过他的努力，北航成为BES Ⅲ和Belle、Belle II合作组成员单位。目前研究团队不断发展壮大，继续在奇特态粒子的研究方面发挥着重要的作用。目前他在Belle和Belle II合作组中也担任一些重要职位，不断彰显我国在国际高能物理实验中的地位。
苑长征和他的研究团队在两个实验中的研究工作既包括高精度测量，又包括探索性研究，还包括新实验的设计和物理的预研究等方面，将继续提升我国在基础研究领域的水平，保持我国在粲偶素与类粲偶素实验研究上的国际领先优势，争取在奇特态粒子的研究中取得更多的成果。目前，他们提出了在BES Ⅲ实验上采集数据的“大计划”以深入研究粲偶素和类粲偶素性质的设想，加深对3-5GeV能区常规粲偶素的理解和对含粲夸克对的奇特态粒子，包括混杂态、多夸克态等的寻找和研究等。同时他们也积极投入到Belle实验的升级改造中去(升级后的实验称为Belle II)。Belle II实验在原来Belle实验的基础上，采用新的加速器技术和探测器技术，使峰值亮度提高40倍，达到8×1035/cm2/s，在五年左右的时间内积累约50ab-1的数据量，而且可能会获取更高能量点的实验数据样本。届时，利用Belle II采集的海量数据样本，在B物理、粲物理、τ物理以及强子物理研究中达到前所未有的灵敏度，多方位进行奇特态粒子的实验研究，从而继续加强对强子结构的深入认识，促进量子色动力学理论的完善和发展。
