近日,北京谱仪III国际合作组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了关于Zc(3900)的自旋和宇称量子数测量的文章,并被《物理》(Physics)杂志编辑作为特色研究论文推介。推介文章中写道:“对正负电子对撞数据的分析确定了含四夸克粒子的自旋和宇称”。
Zc(3900)是北京谱仪国际合作组在北京谱仪III上发现的一个神秘的“共振结构”,质量约3900兆电子伏,寿命约10-23秒。2013年3月24日,北京谱仪国际合作组正式宣布了这个消息。特别的是,这个“共振结构”所具有的特殊性质,提示了该粒子“至少”含有四个夸克,极有可能是科学家们长期寻找的一种奇特强子态。
在发现Zc(3900)之前的实验中,粒子中的强子(由夸克组成的粒子)总是由两个或三个夸克构成(两个夸克组成的强子称为介子,三个夸克组成的强子称为重子),如果新发现的粒子真是由四个夸克构成,这意味着宇宙中的确存在着奇特态的物质,粒子家族中就将加入新的成员,人们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域了,这正是四夸克粒子的意义及所蕴含的神秘魅力。
为了更深入地认识四夸克粒子,北京谱仪国际合作组利用在北京谱仪III上所获的数据,测量了Zc(3900)的两个重要量子数——自旋和宇称。自旋和宇称都是微观粒子的重要性质。自旋为0的粒子无论从哪个方向看都一样,就像一个点,而自旋为1的粒子要在旋转360度后才完全一样。每个粒子具有特有的自旋,自旋为半整数的粒子称为费米子,而自旋为0或整数的粒子称为玻色子。
宇称可理解为“左右对称”或“左右交换”,如果粒子“左右交换不变”或“镜像与原物对称”,就称为“宇称不变性”。粒子的宇称只有两种可能的值,不是+1就是-1。
北京谱仪国际合作组在北京谱仪III发现Zc(3900)之后,迅速调整了原定的数据采集计划,将相关的数据量扩大到之前的4倍,因而拥有了世界上研究Zc(3900)及相关粒子性质的最大数据样本。在进一步的数据分析中,合作组取得了一系列重要成果,陆续发现了Zc(3885)、Zc(4020)、Zc(4025)等新的奇特粒子。正是依据这些重要实验结果,科学家们认为理论上预言的“奇特态物质”也许确实存在。
由于其中的Zc(3885)与Zc(3900)的质量差别很小,它们有没有可能是同一个粒子呢?为解答这个问题,北京谱仪国际合作组利用挑选的6000多个事例,将这两个粒子的自旋和宇称量子数进行了比较。在Zc(3900)粒子取各种自旋-宇称量子数的情况下,通过分波分析法(研究轻强子谱的一种极为重要的工具和手段)来拟合数据。
结果表明:在自旋-宇称JP=1+(即自旋为1,宇称为+1)的情况下与数据达到最佳匹配,这个结果与Zc(3885)粒子的自旋-宇称一致,支持了这两个结构是同一个态的结论。