2022年7月9日，在意大利舉行的第41屆國際高能物理大會（International Conference on High Energy Physics，ICHEP2022）上，歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)上的CMS（Compact Muon Solenoid）合作組報(bào)告，他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能由四個(gè)粲夸克組成的奇特強(qiáng)子家族。清華大學(xué)和南京師范大學(xué)的研究人員聯(lián)合組成的“清華-南師”CMS組在這項(xiàng)研究中發(fā)揮了原創(chuàng)和主導(dǎo)作用。這是中國實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)首次在LHC上觀測到全粲四夸克粒子家族，也是中國首次在CMS實(shí)驗(yàn)上主導(dǎo)新粒子的發(fā)現(xiàn)?！扒迦A-南師”CMS組負(fù)責(zé)人易凱代表CMS合作組報(bào)告了這一結(jié)果。

易凱代表CMS合作組在ICHEP2022報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)果 |?攝影：婁辛丑

基于2016~2018年CMS采集的所有“質(zhì)子-質(zhì)子”對撞數(shù)據(jù)，合作組在兩個(gè)粲夸克偶素（J/ψ，夸克成分為粲夸克c和反粲夸克

）的不變質(zhì)量譜中觀測到了一個(gè)新的粒子家族，這三個(gè)粒子可能由四個(gè)同味重夸克（

）組成，這種由四個(gè)夸克組成的四夸克態(tài)被稱為奇特強(qiáng)子。該家族中的三個(gè)共振峰依據(jù)質(zhì)量被暫時(shí)命名為X(6600)（顯著度超過5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）、X(6900)（顯著度超過5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差）和X(7300)（顯著度4.1倍標(biāo)準(zhǔn)差）。其中，X(6600)和X(7300)粒子均是在世界上首次被觀測到；，CMS的結(jié)果確認(rèn)了X(6900)的存在。該研究成果將以《在13 TeV質(zhì)子質(zhì)子對撞產(chǎn)生的J/ψJ/ψ質(zhì)量譜上觀測到的新結(jié)構(gòu)》（Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV）[1]為題于近期投稿。

J/ψJ/ψ質(zhì)量譜，三個(gè)質(zhì)量峰從左至右依次為X(6600),X(6900),X(7300)

與此同時(shí)，LHC的另兩個(gè)研究組也公布了類似的研究分析結(jié)果。其一，也是在本屆國際高能物理大會上，ATLAS（A Toroidal LHC ApparatuS）合作組的清華大學(xué)物理系陳新教授課題組發(fā)現(xiàn)了四粲夸克事例超出的證據(jù)。在該分析中，研究人員利用全部Run-2數(shù)據(jù)研究了末態(tài)為四個(gè)繆子、通過雙J/ψ和J/ψ+ψ(2S)兩個(gè)道衰變的事例。ATLAS在雙J/ψ質(zhì)譜中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)明顯超過總背景，能看到一個(gè)X(6900)質(zhì)量峰和接近閾值處的一個(gè)寬結(jié)構(gòu)?？紤]干涉效應(yīng)，可以擬合出質(zhì)量分別位于6.22 GeV，6.62 GeV和6.87 GeV的三個(gè)共振態(tài)。另在J/ψ+ψ(2S)道中也看到兩個(gè)顯著的共振峰。[2]

J/ψ 對（左）和 J/ψ+ψ(2S)（右）質(zhì)量譜|圖片來源：ATLAS 合作/歐洲核子研究中心

其二是，LHC的LHCb（Large Hadron Collider beauty，底夸克物理實(shí)驗(yàn)）國際合作組近日宣布，發(fā)現(xiàn)三個(gè)新奇特態(tài)粒子：一個(gè)新型“五夸克態(tài)”強(qiáng)子和兩個(gè)互為伴隨態(tài)的新型“四夸克態(tài)”強(qiáng)子。其中，兩個(gè)“四夸克態(tài)”強(qiáng)子由中國科學(xué)院大學(xué)粒子物理團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)發(fā)現(xiàn)，一個(gè)帶有兩個(gè)電荷，另一個(gè)為中性。它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很奇特：包含了四種不同類型的夸克成份，質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的3.1倍。[3]

LHCb新發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)新的四夸克丨圖片來源：LHCb 合作/歐洲核子研究中心

這三個(gè)合作組令人振奮的新發(fā)現(xiàn)，激起了粒子物理學(xué)家對奇特態(tài)結(jié)構(gòu)的探索。隨著發(fā)現(xiàn)越來越多新強(qiáng)子態(tài)，科學(xué)家可以更清楚研究物質(zhì)的最基本特性。

CMS合作組首次觀測到的“全粲四夸克家族”究竟是什么？中國團(tuán)隊(duì)又是如何主導(dǎo)本次實(shí)驗(yàn)的？對此，《返樸》專訪了“清華-南師”CMS組的負(fù)責(zé)人南京師范大學(xué)教授、清華大學(xué)訪問教授易凱和清華大學(xué)副教授胡震。

采訪?|?費(fèi)進(jìn)、劉航

受訪 |?易凱、胡震

問：目前LHC上的多個(gè)實(shí)驗(yàn)組都在奇特態(tài)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)中競逐新的發(fā)現(xiàn)。請先介紹一下LHC以及CMS、LHCb及ATLAS實(shí)驗(yàn)組的基本情況。

答：位于歐洲核子中心（CERN，Conseil européen pour la recherche nucléaire）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC，是人類有史以來建造的最大科學(xué)儀器，也是現(xiàn)今世界上能量最高的粒子加速器，由來自全球100多個(gè)國家和地區(qū)的上萬名科學(xué)工作者共同設(shè)計(jì)、建造和使用。中國自上世紀(jì)90年代開始參加LHC實(shí)驗(yàn)，是最早參加LHC國際合作的國家之一，也是重要參加國之一。

LHC上一共有4個(gè)探測器ALICE（A Large Ion Collider Experiment）、ATLAS、CMS和LHCb。其中ALICE專注于重離子對撞物理，LHCb的設(shè)計(jì)非常適合B物理（編注：beauty physics，與B夸克相關(guān)的強(qiáng)子物理）研究，而ATLAS和CMS則被稱為通用型探測器，說明它倆能夠做多種不同類型的粒子物理實(shí)驗(yàn)。比如，它們既能在高質(zhì)量區(qū)間發(fā)現(xiàn)希格斯粒子和直接尋找新物理，也能在低質(zhì)量區(qū)間研究B物理，甚至可以用于收集和分析重離子對撞數(shù)據(jù)。

CMS實(shí)驗(yàn)海報(bào) |?來源：CMS中國組

問：新粒子被對撞出來后如何能被探測到？

答：新粒子在質(zhì)子對撞機(jī)上通過對撞而產(chǎn)生，但往往壽命很短，一出現(xiàn)就立刻衰變?yōu)槠渌愋偷牧Ｗ?，所以不會直接被探測到。但它們衰變而形成的那些子粒子、孫粒子們則相對穩(wěn)定，能夠穿過探測器并留下痕跡。實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家們可以通過重建這些痕跡，來反推母粒子的各種性質(zhì)。這就好比說，當(dāng)我們看煙花時(shí)，雖然只能看到美麗的焰火，看不到炮彈本身，但卻可以通過計(jì)算來知道炮彈是如何被打上天的，也可以推算彈藥的成分和多少。

問：是否有可能某些母粒子的衰變過程我們完全沒想到、不知道或不了解，即便由它們衰變而形成的那些相對穩(wěn)定的子粒子和孫粒子們的痕跡實(shí)際存在于數(shù)據(jù)中，我們依然無法重建和反推母粒子的物理性質(zhì)？又是否可能有“簡并的現(xiàn)象或過程”，即不同的母粒子衰變后產(chǎn)生的子粒子和孫粒子們的痕跡在實(shí)際數(shù)據(jù)中不易區(qū)分？形象地說，就是不同類型的煙花炮彈炸出的美麗焰火看起來差不多，不易鑒別區(qū)分。

答：這些情況都可能發(fā)生，這正是高能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的艱難和迷人之處。如圖1，這是1964年Omega粒子發(fā)現(xiàn)時(shí)的圖，左邊是原始數(shù)據(jù)，右邊是從左邊提煉出的一些粒子的飛行徑跡。比較左右可以發(fā)現(xiàn)，即使在60年前，探測器還很原始和簡單的情況下，這項(xiàng)工作也并不容易。而現(xiàn)今的數(shù)據(jù)分析工作已經(jīng)變得異常復(fù)雜。例如，粒子徑跡探測器往往是一層一層的，粒子穿過時(shí)會在每一層留下“擊中點(diǎn)”，我們通過擬合程序?qū)⑦@些擊中點(diǎn)近似的連成一條平滑曲線，就重建出了粒子徑跡。但是，為了擴(kuò)大統(tǒng)計(jì)量，每次對撞的其實(shí)并不是兩個(gè)質(zhì)子，而是兩大團(tuán)質(zhì)子，結(jié)果導(dǎo)致非常多的末態(tài)粒子留下的擊中點(diǎn)都重疊在一起，很難區(qū)分，如圖2。要把這些密密麻麻混在一起的擊中點(diǎn)區(qū)分成一條條線，其難度可想而知。

圖1 Ω-粒子徑跡

圖2?包含102個(gè)頂點(diǎn)的140個(gè)積累事例的模擬示意圖

為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，CMS合作組需要一些有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的研究組來承擔(dān)服務(wù)性工作，以保證實(shí)驗(yàn)的正常運(yùn)行。“清華-南師”CMS組在CMS物理數(shù)據(jù)表現(xiàn)組（PPD）有著長期貢獻(xiàn)[4]。

問：奇特強(qiáng)子態(tài)的理論和歷史是怎么樣的？在LHCb的實(shí)驗(yàn)中也觀測到過五夸克的共振態(tài)，那么六或七夸克態(tài)，在理論上也有可能嗎？

答：在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型框架下，物質(zhì)世界的基本粒子有夸克、輕子等。兩個(gè)夸克或三個(gè)夸克分別組成了傳統(tǒng)的介子和重子，統(tǒng)稱為“傳統(tǒng)”強(qiáng)子。但標(biāo)準(zhǔn)模型理論上沒有約束組成強(qiáng)子的夸克只能是兩個(gè)或三個(gè)，那么有可能存在一些“奇特”強(qiáng)子，比如由四個(gè)、五個(gè)甚至更多夸克組成，或者含有膠子成分。早期發(fā)現(xiàn)的可能的奇特強(qiáng)子僅包括K*等一些較輕的介子，而2003年BELLE合作組[注：實(shí)驗(yàn)的名稱由Belle來，因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)的研究需要產(chǎn)生大量的B介子，而產(chǎn)生的來源是由電子（electron）與正電子（電子的鏡像反粒子，el）對撞生成的]在B介子的衰變產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)的可能奇特強(qiáng)子X(3872)掀起了近二十年世界上對“重味”奇特強(qiáng)子研究的熱潮，并成為高能物理的長期熱點(diǎn)之一。之后中國BESIII合作組發(fā)現(xiàn)的帶電奇特強(qiáng)子Zc(3900)+等則確認(rèn)了該類奇特強(qiáng)子不同于傳統(tǒng)粲偶素的奇特性——帶電性，并把重味奇特強(qiáng)子的研究進(jìn)一步推向了高潮。

1964年夸克模型提出時(shí)并沒有排除由3個(gè)以上夸克組成的奇特強(qiáng)子

奇特強(qiáng)子的實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)常充滿曲折。如X(4140)粒子在2009年被CDF實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之后，又被其他實(shí)驗(yàn)否定，直至2017年LHCb以更大的統(tǒng)計(jì)量重新確認(rèn)其存在，歷時(shí)8年才最終得到大家認(rèn)可。再如五夸克態(tài)盡管本世紀(jì)初就在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中初見端倪（后經(jīng)驗(yàn)證均為統(tǒng)計(jì)波動），僅有2015年LHCb發(fā)現(xiàn)的五夸克態(tài)最先得到廣泛認(rèn)可，并入選當(dāng)年世界物理十大突破。

問：此次發(fā)現(xiàn)的“全粲四夸克家族”中的“家族”具體指什么？

答：“全粲四夸克家族”指的是多個(gè)性質(zhì)相近、質(zhì)量略有區(qū)別的全粲四夸克態(tài)粒子。其實(shí)，早在上世紀(jì)80年代，北京大學(xué)理論粒子物理學(xué)家趙光達(dá)院士就基于一種夸克-膠子模型首次對全粲四夸克態(tài)家族進(jìn)行了理論計(jì)算，預(yù)言了該家族的存在。在2020年6月的“低質(zhì)量多輕子末態(tài)研討會”上，來自中國各兄弟單位的粒子物理學(xué)家對全粲四夸克態(tài)進(jìn)行了深入探討，中國理論學(xué)家對全粲四夸克態(tài)的計(jì)算和性質(zhì)研究已經(jīng)有了非常豐富的結(jié)果，為這一家族的存在提供了有利的理論依據(jù)，趙光達(dá)院士在會上作了總結(jié)性發(fā)言。

問：全粲四夸克粒子中有反粲夸克嗎？觀測到的全粲四夸克態(tài)有三個(gè)，這三個(gè)共振態(tài)的電荷、自旋及宇稱量子數(shù)分別是多少？有什么不同的性質(zhì)？自旋、宇稱等性質(zhì)還是用CMS來測定嗎？

答：在以往的實(shí)驗(yàn)中，含有輕夸克的奇特強(qiáng)子家族已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了多個(gè)，而本次實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的全粲四夸克家族則與以往不同，它們完全由重夸克（兩個(gè)粲夸克和兩個(gè)反粲夸克）組成。由于正反夸克的電荷相互抵消，全粲四夸克粒子整體表現(xiàn)為電中性的狀態(tài)，它們的自旋、宇稱等將在我們后續(xù)的研究工作中被測量和確定。這三個(gè)粒子目前已知的最大區(qū)別在于質(zhì)量，分別為~6.6 GeV，~6.9 GeV和~7.3 GeV。

自旋、宇稱等性質(zhì)可以在CMS實(shí)驗(yàn)上測量，我們正在準(zhǔn)備中。

問：什么是兩個(gè)J/ψ粒子組成的衰變末態(tài)？是說這些奇特強(qiáng)子的最終態(tài)對應(yīng)兩個(gè)J/ψ粒子？

答：兩個(gè)質(zhì)子對撞，產(chǎn)生了一個(gè)新粒子（可能是四夸克態(tài)），這個(gè)粒子先衰變成兩個(gè)J/ψ粒子，然后，每個(gè)J/ψ粒子又衰變成了兩個(gè)繆子。所以，我們實(shí)驗(yàn)上觀測的末態(tài)粒子，其實(shí)是來自同一個(gè)衰變頂點(diǎn)的四個(gè)繆子。但我們要求這四個(gè)繆子可以分成兩組，其中每一組都能重組合出一個(gè)母粒子，她的質(zhì)量在J/ψ質(zhì)量附近。

問：此次發(fā)現(xiàn)的全粲四夸克態(tài)可否形象地想象為兩個(gè)J/ψ 介子的幾種可能的結(jié)合形式？有點(diǎn)兒像兩個(gè)原子形成一個(gè)分子？不同的能態(tài)對應(yīng)不同的全粲四夸克態(tài)粒子的質(zhì)量？

答：目前理論上有多種解釋，我們看到《現(xiàn)代物理知識》昨天編纂的文章《CMS實(shí)驗(yàn)世界首次發(fā)現(xiàn)全粲四夸克粒子家族，中國團(tuán)隊(duì)起主導(dǎo)作用》中，也訪問了粒子物理理論和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中的多名專家，他們針對不同的模型提出了自己的解讀。

問：若以氧原子O為參照，“氧氣”（oxygen）的化學(xué)式是O2，“臭氧”的化學(xué)式是O3?，現(xiàn)在找到了全粲四夸克態(tài)粒子由兩個(gè)J/ψ 介子結(jié)合形成，以此推測電中性的全粲六夸克態(tài)粒子可由三個(gè)J/ψ 介子結(jié)合形成。這會是你們進(jìn)一步的研究課題嗎？

答：首先要積累大量的“同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)J/ψ粒子”的對撞事件，才能在這些3J/ψ質(zhì)量譜上尋找新結(jié)果。但目前的困難是，同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)J/ψ的情況都極為稀少。今年年初，CMS合作組首次在世界上觀測到在一次質(zhì)子質(zhì)子對撞中同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)J/ψ粒子的事件，信號顯著度超過5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，CMS合作組已將研究論文投稿至《自然·物理》（Nature Physics）[5]。今年4月，清華-南師CMS組的一名本科生代表CMS合作組在美國物理協(xié)會四月會議（APSPhysics April Meeting 2022）上報(bào)告了這一結(jié)果[6]。

問：質(zhì)子、中子和電子一起構(gòu)成了原子，排列成元素周期表。6種夸克和相應(yīng)反夸克的各種組合可形成不同的粒子。所有這些粒子的性質(zhì)會像元素周期表一樣排布出什么規(guī)律嗎？

答：物理學(xué)家通常喜歡用簡單的模型來描述復(fù)雜的世界。但到上世紀(jì)中葉時(shí)，實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的類似于質(zhì)子、中子這樣的所謂“基本粒子”已經(jīng)多達(dá)上百種，非常復(fù)雜。物理學(xué)家Willis Lamb 在1955年獲得諾貝爾獎致辭時(shí)說:“I have heard it said that ‘the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize’, but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine. （我聽說以前誰發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的基本粒子就可以的一個(gè)諾貝爾獎。但現(xiàn)在這樣的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該被罰1萬美元）"

1964年，粒子物理學(xué)史上這一“尷尬”時(shí)期終于迎來了光明，蓋爾曼和茨威格提出了夸克模型，這是人類探索物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要里程碑。該模型認(rèn)為這些粒子并不“基本”，它們是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，是由3種不可見的夸克組成。后來這些粒子被統(tǒng)稱為“強(qiáng)子”，其中由兩個(gè)夸克組成的叫介子，由三個(gè)夸克組成的叫重子?？淇四Ｐ腿缤诟⑿〉某叨认陆⒘诵碌摹霸刂芷诒怼?，實(shí)驗(yàn)上已發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子都可以漂亮地有規(guī)律地排在夸克周期表中，更神奇的是，實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家根據(jù)夸克周期表的預(yù)言，當(dāng)年就又找到了一個(gè)新粒子Ω-。

十年之后的1974年，粒子物理學(xué)又迎來了另一個(gè)重要里程碑，丁肇中和里克特在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子，被稱為粒子物理學(xué)的“十一月革命”，因?yàn)檫@意味著第四種夸克“粲夸克”的發(fā)現(xiàn)。本次全粲四夸克家族的發(fā)現(xiàn)，就是在兩個(gè)J/ψ粒子組成的衰變末態(tài)完成的。

丁肇中發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子

問：這個(gè)實(shí)驗(yàn)分析是基于CMS在2016~2018年采集的所有“質(zhì)子-質(zhì)子”對撞數(shù)據(jù)。能談一下該實(shí)驗(yàn)的發(fā)現(xiàn)過程及實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)嗎？該實(shí)驗(yàn)的擬合方法有什么創(chuàng)新？有其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持嗎？

答：大型強(qiáng)子對撞機(jī)實(shí)驗(yàn)的末態(tài)復(fù)雜、本底高，數(shù)據(jù)分析工作往往漫長且艱難，因此CMS合作組內(nèi)部有明確而嚴(yán)格的審核程序，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。為了避免在數(shù)據(jù)分析過程中研究人員的主觀因素影響結(jié)果，這項(xiàng)研究中采用了高能實(shí)驗(yàn)中常用的“盲分析”策略，即在查看信號區(qū)間之前，就要確定所有的數(shù)據(jù)篩選條件，然后再揭盲查看結(jié)果。除此之外，為了進(jìn)一步減小出錯的可能性，研究團(tuán)隊(duì)內(nèi)部又分成了3個(gè)獨(dú)立的小組，各自獨(dú)立撰寫自己的分析程序，最終3個(gè)小組得到了完全相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過2年多的細(xì)致研究，通過了合作組的揭盲、預(yù)審核、終審核等關(guān)鍵步驟，在ICHEP2022會議上公開了結(jié)果。

對質(zhì)量譜的擬合也是這項(xiàng)研究的一個(gè)難點(diǎn)，從圖中可以看出，在不考慮粒子之間干涉，不考慮粒子和本底之間干涉的情況下，三個(gè)質(zhì)量峰之間的兩個(gè)深溝與我們的擬合模型有明顯偏差。所以，我們也嘗試了LHCb實(shí)驗(yàn)為解決該問題曾提出的干涉方式，即創(chuàng)造出一個(gè)X(6700)粒子來與本底干涉，但仍然不能很好的描述CMS的數(shù)據(jù)。我們正在研究的其他的新干涉模型或許能夠更好的描述數(shù)據(jù)。

問：“清華-南師”CMS組成員共有多少人？為什么說中國主導(dǎo)了本次探測？

答：CMS合作組由50多個(gè)國家、約240個(gè)單位的4000多名成員組成，已經(jīng)發(fā)表了1000多篇研究論文，所有論文的署名方式相同，均按照字母順序來排列3000多名作者和200多個(gè)署名單位。而在CMS合作組內(nèi)，通?？梢詮摹绊?xiàng)目負(fù)責(zé)人”、“預(yù)審核報(bào)告”、“終審核報(bào)告”等方面來評判研究團(tuán)隊(duì)的貢獻(xiàn)。在我們的這項(xiàng)研究中，上述幾項(xiàng)工作均由中國的“清華-南師”CMS組成員完成。這個(gè)團(tuán)隊(duì)有兩個(gè)學(xué)校的一共4名教師，3名博士后，10名博士生，30名左右的本科生，加上工程師和機(jī)房管理員，總共大約50人。

問：CMS合作組是如何選擇執(zhí)行本次研究項(xiàng)目和方向的？需要決定數(shù)據(jù)采樣方式以及尋求其它實(shí)驗(yàn)裝置的配合嗎？是先有理論預(yù)言，再進(jìn)行CMS數(shù)據(jù)分析搜尋，還是在CMS數(shù)據(jù)中意外發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)峰值，再進(jìn)行理論解釋和相關(guān)數(shù)據(jù)模擬？

答：CMS實(shí)驗(yàn)上各個(gè)研究小組可以根據(jù)自己的興趣，提出研究課題。通常來說，在課題提出的最開始階段，有至少三個(gè)條件要考慮，一是有明確和有趣的物理目標(biāo)；二是用蒙特卡洛模擬研究來說明CMS探測器對該研究有足夠的靈敏度；三是提出一個(gè)讓合作組結(jié)果的“觸發(fā)”條件。觸發(fā)是實(shí)驗(yàn)取數(shù)中非常重要的一步。LHC對撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大，我們無法把所有數(shù)據(jù)都存儲到磁盤上，而且絕大多數(shù)數(shù)據(jù)是我們不感興趣的實(shí)驗(yàn)本底。所以，每個(gè)研究課題都要根據(jù)自己特定的研究對象，選取或設(shè)計(jì)一個(gè)所謂的觸發(fā)條件，這樣CMS的數(shù)據(jù)讀取系統(tǒng)就可以在對撞的極短時(shí)間內(nèi)，粗略地對數(shù)據(jù)做初步的篩選。

具體到這個(gè)研究，早在2010年的7 TeV和8TeV對撞初期，易凱老師提出了三繆子觸發(fā)，專門用來研究低質(zhì)量多繆子末態(tài)物理。他針對2011年和2012年收集的7 TeV和8 TeV對撞數(shù)據(jù)，對J/ψJ/ψ質(zhì)量譜進(jìn)行了初步研究，在數(shù)據(jù)中看到的痕跡為之后確定盲分析的信號區(qū)間提供了基礎(chǔ)。

2016年13 TeV對撞開始取數(shù)時(shí)，易凱和胡震一起改進(jìn)了三繆子觸發(fā)，以適應(yīng)更高亮度下的取數(shù)帶寬。2019年，易凱和胡震回國，在清華大學(xué)和南京師范大學(xué)組建了研究團(tuán)隊(duì)，兩校研究人員依托清華大學(xué)加入了CMS實(shí)驗(yàn)，聯(lián)合組成“清華-南師”CMS組，對2016年到2018年收集的13 TeV數(shù)據(jù)在低質(zhì)量多輕子末態(tài)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，經(jīng)過大約3年的時(shí)間，才完成這一研究課題。

在意大利ICHEP會議現(xiàn)場的物理學(xué)家們正在海報(bào)環(huán)節(jié)討論全粲四夸克粒子 | 攝影：婁辛丑

問：是CMS合作組內(nèi)某幾個(gè)人有了想法，一起分析CMS數(shù)據(jù)，得了結(jié)果成文，供CMS組集體討論定稿？

答：這是一個(gè)很漫長甚至可以歷時(shí)數(shù)年的過程。研究團(tuán)隊(duì)要定期在CMS合作組內(nèi)部匯報(bào)研究進(jìn)展，還要將數(shù)據(jù)分析工作的全部細(xì)節(jié)寫進(jìn)Analysis Note。當(dāng)研究進(jìn)行到一定階段，就可以申請?jiān)诤献鹘M內(nèi)做正式的預(yù)審核報(bào)告（Pre-approval talk），只有通過預(yù)審核之后，才能成為一個(gè)得到合作組認(rèn)可的研究課題，會獲得一個(gè)代表這個(gè)課題的編號。同時(shí)，合作組會找3~5名該領(lǐng)域的專家，組成Analysis Review Committee，來評審研究工作的細(xì)節(jié)，不停地挑刺，直到他們都滿意，再也挑不出毛病，才會給分析團(tuán)隊(duì)放“綠燈”。這時(shí)分析團(tuán)隊(duì)要在合作組做一個(gè)正式的終審報(bào)告（Approval talk），終審?fù)ㄟ^后，這個(gè)結(jié)果就可以在國際會上對外公布了。下一個(gè)步驟叫Collaboration board Review，就是把準(zhǔn)備向雜志投稿的論文初稿，公開給全合作組（3000多人）看，讓更多的人來找茬兒，來提問。當(dāng)這些問題也都全部解決之后，就進(jìn)入到了Final Reading階段，合作組會安排幾個(gè)更資深的專家，專門開一個(gè)會，最終再通讀一遍論文初稿，做最后的把關(guān)。Final Reading通過之后，終于可以對外投稿了，但是和其他自然科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者們類似的，還要面對與雜志審稿人一輪輪問答的這個(gè)常規(guī)過程。

上面僅僅列了幾個(gè)主要的大步驟，之間還夾雜著許多別的小步驟，一環(huán)套一環(huán)，根據(jù)研究課題的不同，最多時(shí)總共可以達(dá)到20多步。

發(fā)現(xiàn)全粲四夸克態(tài)家族有什么重要意義？

• 趙光達(dá)院士：“全粲四夸克態(tài)家族的發(fā)現(xiàn)對我們理解強(qiáng)相互作用有著十分重要的意義。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于沒有輕夸克組分，不太會形成‘常見’的通過交換輕介子而形成的分子態(tài)結(jié)構(gòu)，從而給我們一個(gè)更為簡單的物理圖像幫助理解。我十分高興中國的實(shí)驗(yàn)粒子物理學(xué)家在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中起到了主導(dǎo)作用，希望在以后的工作中再接再厲?！?/p>

• 2007年櫻井獎（J.J.Sakurai Prize）得主、斯坦福大學(xué)教授斯坦利·布羅斯基（Stanley Brodsky）：“新發(fā)現(xiàn)的雙J/ψ強(qiáng)子家族開辟了四夸克態(tài)研究中一個(gè)重要的新領(lǐng)域?！?/p>

• 美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室副所長、D0實(shí)驗(yàn)前發(fā)言人德米特里·杰尼索夫（Dmitri Denisov）：“理解強(qiáng)相互作用是粒子物理研究中最重要的問題之一，LHC上的CMS合作組發(fā)現(xiàn)的這些新共振態(tài)為更深入的理解基本粒子間的相互作用鋪平了道路，期待未來有更多這樣令人興奮的發(fā)現(xiàn)！”

• 清華大學(xué)高能物理研究中心主任、物理系教授王青：“在超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理遲遲不能被實(shí)驗(yàn)確認(rèn)的時(shí)代，多夸克態(tài)新粒子是推動粒子物理研究發(fā)展的重要前沿之一，中國人在其中起了重要的作用?！?/p>

• 易凱：“這是首次在實(shí)驗(yàn)上觀測到可能由純重味夸克組成的奇特粒子家族。該發(fā)現(xiàn)是奇特強(qiáng)子研究領(lǐng)域的重要突破。這個(gè)獨(dú)特、容易理解的系統(tǒng)，可以幫助理論家為近20年來發(fā)現(xiàn)的幾十個(gè)奇特強(qiáng)子建立最終模型?！?/p>

  
  

  以上評論皆摘取自清華新聞網(wǎng)[7]和清華物理系官方新聞。

從左至右：安海鵬、胡震、易凱、王青、陳新

相關(guān)文獻(xiàn)

[1]?https://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/preliminary-results/BPH-21-003/index.html

[2]?https://atlas.cern/Updates/Briefing/Charm-Tetraquark

[3] https://home.cern/news/news/physics/lhcb-discovers-three-new-exotic-particles

[4]?https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1179/5198.htm

[5] http://cms-results.web.cern.ch/cms-results/public-results/publications/BPH-21-004/index.html

[6] https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1178/5113.htm

[7]?https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/96724.htm.