全粲四夸克粒子之谜破解：一个家族三个成员的量子“身份证”揭晓
大型强子对撞机探测器捕捉到三道闪光，三个由两对粲夸克与反粲夸克组成的重粒子在衰变过程中，首次向人类展示了它们的自旋、宇称和电荷共轭对称性。
欧洲核子研究中心的科学家们首次精确测量了三种全粲四夸克粒子的量子特性。这项发表在《自然》杂志上的突破性研究成果，为理解自然界中最强大的力量——强核力如何工作提供了关键线索。
研究人员利用CMS探测器在2016年至2018年收集的数据，确定了X(6600)、X(6900)和X(7100)这三种四夸克态的自旋、宇称和电荷共轭对称性。
01 多夸克世界的探索
粒子物理学的标准模型将夸克视为物质不可再分的基本粒子，已知存在六种类型的夸克：上、下、粲、奇异、底和顶夸克。
通常情况下，夸克会组合形成强子：两个夸克组成介子，三个夸克组成重子（如构成原子核的质子和中子）。
近年来，科学家们在全球多个对撞机实验中发现了一系列由四个或五个夸克组成的“奇特强子”，它们无法被纳入传统的介子或重子分类中。其确切性质一直是物理学界的未解之谜。
一些理论认为这些粒子是紧密结合的“四夸克态”或“五夸克态”，而另一些理论则认为它们只是传统强子对的松散结合。
02 全粲四夸克家族
在最新的研究中，CMS合作组聚焦于一个特殊的四夸克家族：由两个粲夸克和两个反粲夸克组成的全粲四夸克。
这三种粒子被命名为X(6600)、X(6900)和X(7100)，括号中的数字代表它们的近似质量（以兆电子伏特为单位）。
其中X(6900)最早由LHCb合作组于2020年报道，随后被ATLAS和CMS合作组独立确认，而X(6600)和X(7100)则是CMS合作组首次报道。
全粲四夸克之所以成为研究重点，是因为相比于含有轻夸克（如上下夸克）的四夸克粒子，全由重粲夸克组成的结构为理论研究提供了一个更清晰的平台。
03 量子特性的精确测量
研究团队分析了CMS探测器在2016年至2018年大型强子对撞机第二次运行期间采集的数据。
他们通过观测X粒子衰变为两个J/ψ粒子（每个J/ψ粒子由一个粲夸克和一个反粲夸克组成），然后再进一步衰变为缪子对的过程，测量了三个关键的量子参数。
测量结果显示，这三种四夸克态具有完全一致的量子特性：自旋均为2（一种内禀角动量形式），宇称和电荷共轭对称性皆为1。
自旋描述了粒子的内禀角动量，宇称反映了粒子在镜像变换下的行为，而电荷共轭对称性则描述了粒子与其反粒子互换时系统的变化。
04 结构与未来研究方向
这些量子特性的测量结果，为理解四夸克粒子的内部结构提供了重要线索。CMS合作组的主要贡献者之一安德烈·格里特桑指出，尽管结果尚不能最终确定这些奇特强子的内部结构，但测量数据更支持它们是紧密结合的四夸克态，而非松散的强子对。
强核力是自然界四种基本作用力之一，负责将夸克束缚在一起形成质子、中子等粒子。
研究这些极端四夸克态，有助于物理学家更好地理解强核力在各种情况下的工作机制。
目前，大型强子对撞机正处于第三轮运行期，而未来的“高亮度LHC”将产生更丰富的实验数据。科学家们希望通过这些数据，进一步揭示强核力如何塑造夸克的多元组合，深化人类对物质最深层次结构的认知。
05 相关研究与全球合作
四夸克粒子的研究不仅限于欧洲核子研究中心。2013年，北京谱仪（BESIII）实验国际合作组宣布发现了首个四夸克物质Zc(3900)，中国科学院高能物理研究所的研究人员也持续在这一领域取得进展。
北京航空航天大学物理学院的研究团队则提出利用费米镜技术，来判别Zc(3900)和Zcs(3985)等四夸克态候选粒子，为深入探索量子色动力学的非微扰特性提供了新途径。
这些全球性的科研努力，正在逐步解开奇特强子态的奥秘。
当CMS合作组的研究人员反复核对数据时，一个清晰的模式开始显现：X(6600)、X(6900)和X(7100)这三个不同质量的粒子，却呈现出完全一致的量子特性。
大型强子对撞机的第三次运行已经开始，探测器正在收集更精确的数据。强核力——这种自然界最强大的力量，已经开始向人类展示它创造奇异粒子组合的能力。
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