欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的底夸克实验（LHCb）在双J/ψ介子系统中发现了一种质量约为6900 MeV/c^2的全新粒子。这个新粒子被命名为X(6900)，其性质与由四个粲夸克构成的奇特强子相符。相关成果作为封面文章发表于最新一期的英文版《科学通报》【Sci. Bull. 65 (2020) 1983】。我系两名博士毕业生安刘攀（2018届）和张艳席（2013届）主导了这项工作。张艳席现任职北京大学助理教授，安刘攀现任职欧洲核子研究中心博士后（CERN fellow）。

强子是由夸克通过强相互作用束缚形成的微观粒子。原子核的基本组分质子和中子是最常见的常规强子。根据夸克模型，常规强子由一对正反夸克或三个夸克组成，而其他类型的强作用束缚态称为奇特强子态，例如四夸克态、五夸克态，它们分别包含四个和五个组分夸克。理论上预期奇特强子同常规强子一样存在丰富的谱形，可以提供更丰富的强相互作用信息。

大型强子对撞机是当前世界上能量最高的粒子加速装置。LHCb是大型强子对撞机上四个大型实验装置之一，致力于精确测量重味强子（即包含粲夸克或底夸克的强子）的性质，以期探索宇宙中正反物质不对称性之谜，寻找新物理的间接证据，理解强相互作用的性质。LHCb实验合作组由来自世界各地的1400多名科研人员组成，清华大学2000年正式成为合作组成员单位，2013年以来华中师范大学、中国科学院大学、武汉大学、中国科学院高能物理研究所、华南师范大学、北京大学、湖南大学等也先后加入了LHCb合作组。二十年来，清华大学与LHCb中国组一起在重味强子谱与强子产生机制研究中取得了一系列重要结果，例如五夸克态和双粲重子的发现。

LHCb实验组此次发现的四粲夸克态是在质心能量高达 13 TeV 的质子-质子对撞数据中发现的。安刘攀和张艳席等研究人员在J/ψ介子对的不变质量谱中观测到了两个全新的结构，其中较窄的峰状结构与质量约为6900 MeV/c^2的强子态性质相符，记作X(6900)。由于J/ψ介子包含一个粲夸克与一个反粲夸克，这个新粒子应为一个四粲夸克态。另一个较宽的结构接近两倍J/ψ质量的阈值，可能是一个较宽的四粲夸克态或几个四粲夸克态的叠加。强相互作用一般用量子色动力学描述，但由于非微扰效应，迄今无法从第一性原理解释强子的内部结构。四粲夸克态的发现将有助于推动人们对量子色动力学的理解。

图：双J/ψ介子的不变质量谱

图：四粲夸克态示意图

论文详情： 

LHCb collaboration, Observation of structure in the J/ψ-pair mass spectrum, Science Bulletin, doi: 10.1016/j.scib.2020.08.032

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320305685