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追寻双“粲”之路

已有 215 次阅读 2020-5-19 11:48 |系统分类:论文交流

人类自古以来就不断试图理解自然界万物的基本组成及其相互作用,我国战国时期思想家庄子曾说过:“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。经过长期不懈的努力,现代科学对物质微观结构的认识达到了空前的高度:我们日常可见的物质由原子组成,原子由原子核和核外电子组成,原子核由质子和中子组成,而质子和中子由夸克组成。

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图:原子的组成(来源:https://www.sohu.com/a/135009245_354973

实验发现自然界存在六种夸克,分别命名为上夸克(up,u)、下夸克(down,d)、奇异夸克(strange,s)、粲夸克(charm,c)、底夸克(bottom,b),顶夸克(top,t),前三种较轻,后三种较重。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由一个上夸克和两个下夸克组成,这类由三个夸克组成的粒子在粒子物理的夸克模型中统称为重子。双粲重子由两个重夸克(粲夸克)和一个轻夸克组成,其内部结构迥异于质子和中子,因而具有独特的性质,在研究夸克的三体束缚系统、理解强相互作用等方面具有重要的特殊地位。

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图:大型强子对撞机及其实验鸟瞰图(来源:CERN) 

坐落在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)周长为27千米,是人类建造的最大科学装置。LHC将质子加速到约7万亿电子伏特后在四个交叉点对撞,对撞反应的产物通过粒子物理探测器来记录。在LHC的四个对撞点上各安排了一个大型粒子探测装置,LHCb是其中之一。如图所示,LHCb具有顶点探测器、寻迹系统、量能器和谬子探测器,两个切伦科夫探测器RICH1和RICH2可以区分不同动量范围带电强子的类型。

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图:LHCb探测器示意图,其中质子运动方向为z向(来源:CERN)

如封面示意图所示,质子在对撞时被“打碎”,其中的部分子(包括夸克和胶子)参与反应,产生新的粒子,双粲重子就是在这样的过程中产生的。质子对撞中部分子携带了质子的部分动量,由于参与反应的部分子的动量大部分情况下不相等,根据动量守恒定律,产生的双粲重子被“推”向动量大的部分子的运动方向,沿与束流夹角很小的方向出射。LHCb被设计为前向谱仪,可以高效地探测此类粒子。

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利用2016年采集的数据,LHCb合作组于2017年发现了双粲重子${{\Xi_{cc}^{++}}}$夸克成分:ccu[1]。现在,LHCb合作组利用运行一期(2011-2012)和运行二期(2015-2018)采集的所有物理数据,搜寻了双粲重子${{\Xi_{cc}^{+}}}$(夸克成分:ccd),在其同位旋伙伴${{\Xi_{cc}^{++}}}$质量处看到局部显著度为3.1倍标准差的迹象。LHCb合作组测量给出了双粲重子${{\Xi_{cc}^{+}}}$相对于单粲重子${\Lambda^+_c}$(和双粲重子${{\Xi_{cc}^{++}}}$)的产生截面的上限,相比于LHCb合作组利用2011年采集的数据给出的上限[2],灵敏度提高了一个数量级。

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图:双粲重子${{\Xi_{cc}^{+}}}$的不变质量分布(来源:LHCb实验)

该结果发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy(《中国科学:物理学 力学 天文学》英文版)2020年第2期[3]。同期发表了中国科学院理论物理研究所蔡荣根院士为此文撰写的主编点评[4],以及重庆大学吴兴刚教授、以色列特拉维夫大学的Marek Karliner教授和美国芝加哥大学的Jonathan L. Rosner教授、兰州大学于福升教授、美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Ramona Vogt教授和斯坦福大学的Stanley J. Brodsky教授为此文撰写的专家视点[5-8]

值得指出的是,我国理论物理学家们在双粲研究上成果丰硕,对双粲重子的发现和其后的研究提供了强有力的支持。LHCb实验目前正在进行升级,预计于2021年夏重启运行。利用更多的数据和更多的衰变道,LHCb合作组将非常有希望发现双粲重${{\Xi_{cc}^{+}}}$从而加深我们对于夸克模型和强相互作用的理解。


参考文献:

[1] LHCb collaboration, Observation of the doubly charmed baryon ${{\Xi_{cc}^{++}}}$, Physical Review Letters, 2017, 119: 112001, arXiv:1707.01621.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.112001

[2] LHCb collaboration, Search for the doubly charmed baryon ${{\Xi_{cc}^{+}}}$, JHEP, 2013, 12: 90, arXiv:1310.2538. 
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP12(2013)090

[3] LHCb collaboration, Search for the doubly charmed baryon ${{\Xi_{cc}^{+}}}$, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(2): 221062, arXiv:1909.12273. 
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1471-8

[4] Cai R.-G., Exploring the doubly charmed baryon, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020,63(2): 221061.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1472-6

[5] Wu X.-G., A new search for the doubly charmed baryon ${{\Xi_{cc}^{+}}}$ at the LHC, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(2): 221063, arXiv:1912.01953.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1478-x

[6] M. Karliner, J. L. Rosner, LHCb gets closer to discovering the second doubly charmed baryon, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(2): 221064, arXiv:1912.01963.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1480-x

[7] Yu F.-S., Role of decay in the searches for double-charm baryons, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(2): 221065, arXiv:1912.10253. 
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1483-0

[8] R. Vogt, S. J. Brodsky, Intrinsic charm production of doubly charmed baryons: Collider vs. fixed target, Science China-Physics, Mechanics & Astronomy, 2020, 63(2): 221066.
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11433-019-1496-7


LHCb合作组由来自于19个国家、84个研究单位的约1400名科学家组成,清华大学2000年成为合作组的正式成员。目前的LHCb中国组由清华大学、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、华南师范大学和北京大学(按照参加LHCb实验的先后顺序)的研究人员组成。中国组近年来在LHCb实验的物理研究上成绩突出,包括“五夸克态”的发现和双粲重子的发现。“五夸克态”的发现入选英国物理学会Physics World 2015年度十项“重大突破”和美国物理学会Physics 2015年度八项“重要成果”,双粲重子的发现入选2017年度中国科学十大进展。





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