粒子物理与核物理 - 中国科学技术大学近代物理系

粒子物理与核物理

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打开寻找奇特态粒子的大门

时间:2014-06-05 09:24来源:中国科学报 作者:彭科峰 点击:

  编者按:近年来,在国家自然科学基金委员会的资助下,一大批在国内外具有重要影响的科研成果脱颖而出。本报从今天起开设“走基层 看创新——重大科研成果见闻”栏目,报道介绍一批2013年在国家自然科学基金资助下产生的重大成果。

  

    人们对于构成物质世界的基本粒子的探索,总是永无止境。

   在很长一段时间内,原子被认为是构成物质的最小微粒。直至20世纪初,物理学家才发现原子并不是最小的微粒。原子由原子核和电子组成,而原子核又由质子 和中子组成,质子和中子则由更小的“小不点”——夸克组成。所有的物质均由6种夸克和6种轻子(如正、负电子,中微子等)组成,物理学家将其统称为“基本 粒子”。

  如今,中国的科学家正在这一舞台上作出重要贡献。去年3月,北京谱仪(BES)Ⅲ实验国际合作组宣布发现了可能的四夸克态Zc(3900)。今年,该合作组再度宣布发现性质类似的Zc(4020)/Zc(4025)。

  在探索物质基本粒子的道路上,北京谱仪实验组的科学家正在大步前行。

  有点幸运的收获

  传统的夸克模型认为,介子由一个夸克和一个反夸克组成,重子由三个夸克或三个反夸克组成。介子和重子统称为强子,但在高能物理领域,描述强相互作用的理论并不排除以其他方式组成的粒子,例如多夸克态、胶子球、夸克胶子混杂态等。

  长期以来,科学家对这些奇特强子的寻找从未止步。“尽管国际上很多实验对强子谱进行了广泛研究,发现了一系列新的共振结构,但由于数据的匮乏和理论的局限,尚不能确定这些粒子的属性。”中科院高能所所长王贻芳介绍说。

  北京谱仪实验的科学家在“偶然”中发现了可能的奇特态粒子。

   中国科学院大学教授、北京谱仪Ⅲ实验国际合作组联合发言人郑阳恒介绍说,2005年科学家发现一个用夸克模型很难解释的奇特粒子Y(4260)。“我们 在Y(4260)能区获取数据样本,试图对其性质进行进一步探索。在这一过程中,北京谱仪实验Ⅲ国际合作组发现了Zc(3900)。可以说,我们是比较幸 运的。” 2013年3月26日,BESⅢ合作组对外宣布了这一发现。由于Zc(3900)含有一对正反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷,提示其至少含有四个夸 克——这极有可能是科学家长期寻找的介子分子态或四夸克态。

  成功离不开基金委的资助

  中国科学家的发现得到国际物理学界的高度评价。

  《自然》杂志、《物理评论快报》等纷纷对该成果进行报道。国际物理学顶级期刊、美国物理学会主编的《物理》杂志将其选为2013年国际物理学领域重要成果。

   在王贻芳看来,尽管BESⅢ实验国际合作组采取国际合作组织的形式进行科学研究,但其实验装置在中国,“基本上都基于高能所北京正负电子对撞机上的大型 通用探测器”。因此,90%以上的实验基础设施和软件建设都由中国科学家完成,80%左右的数据分析也是由中国科学家承担。

  北京谱仪Ⅲ实验国际合作组发言人、中科院高能所研究员沈肖雁表示,北京谱仪实验得到基金委、科学院和科技部的长期支持,对实验组不间断的经费支持使合作组的研究不断取得突破。

   她介绍说,从2009年到2014年,该项目科研人员得到多个基金委重点、面上及青年基金项目的支持,获得经费约3000万元;获得基金委和科学院联合 基金项目的批准经费约2500万元。“近5年来,有两人得到基金委杰出青年基金资助,1人得到优青资助,已培养博士后12人、博士65人、硕士35人。”

  “在基金项目的支持下,目前国内高校的高能物理实验队伍也在不断壮大。”沈肖雁说。

  探索永无止境

  对于未知奇特态粒子的探索,科学家的脚步从未停止。

  2014年,北京谱仪Ⅲ合作组又在进一步的实验中发现了与Zc(3900)性质类似的Zc(4020)/Zc(4025)。实验结果表明,Zc(3900)与此前发现的X(3872)、Y(4260)等粒子之间可能存在实质性的关联,应放在统一的框架内进行理论研究。

  自今年2月以来,合作组已在4.6千兆电子伏和4.42千兆电子伏能量处采集了大量数据。科学家希望能利用新的数据获得进一步发现。

  “为何选择在这两个能区获取数据?因为我们希望寻找到可能的、质量更高的Zc(3900)的伴随态。”沈肖雁介绍说,科研人员希望能发现更多的可能的多夸克物质,并对其性质作进一步探索和研究。

  “对超出传统夸克模型的新型强子态的寻找,一直是北京谱仪Ⅲ实验最重要的物理目标之一。Zc(3900)等新共振态的发现,为寻找和研究新型强子态开启了一扇大门。”沈肖雁表示。

   未来科学家能否有新的发现?能否真正揭示这些奇特态粒子的真面目?对于这样的问题,北京谱仪Ⅲ实验国际合作组执行委员会委员、清华大学教授高原宁给出了 意味深长的答案:“对于科学家来说,很多时候你并不知道将得到什么样的结果。如果你提前知道答案,也许你根本不会去做。”

  或许,这才是科学研究真正的魅力所在。

原载于《中国科学报》 ,2014-06-04 第4版 综合

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