BESIII 发现新粒子—是“八腿马” ? 还是“鸭嘴兽” ?

高能物理研究所张景芝

第十届公众科学日（ 2014.05.17)北京谱仪合作组

北京正负电子对撞机和北京谱仪在研究什么 ?怎样进行研究？

2013 年 3 月 , 北京谱仪 (BESIII) 合作组在正负电子对撞机上发现新粒子 , Zc(3900), 成为高能物理界的热点。 难道发现了“八腿马”？

Zc(3900) 发现的后续工作。

• 世界是由什么组成的？• 是怎样组成的？

古希腊：土、空气、火、水

古代中国的五行：土、木、金、火、水

万物由原子组成

原子

古代

原子 ~ 10-10 m = 0.0000000001 m

人类毛发 ~ 50 mm = 50 10-6 m = 0.000050 m

如果所有的科学知识都将被摧毁，只能为下一代留下一句话，这句话应当是什么 ?

all things are made of atoms

所有事物是由原子组成的

理查德 . 费曼

6

同一列的原子具有相似的化学性质，这说明原子由更小单元构成。

19 世纪 人类最伟大发现之一 元素周期表

1911卢瑟福用 a 粒子轰击金箔，发现有 a 粒子反弹回来。在此基础上，他提出了原子核式结构模型。

卢瑟福 : 原子不是基本粒子

现代加速器散射实验的前身

从原子到夸克

原子和亚原子粒子实在太小了 ！我们无法直接地“看见” 它们 。 ( 上图为示意图，不是画像 )

组成物质的最小成分夸克有多小？

~ 10-10 m~ 10-14 m

~ 10-1 ３ m

<10-18 m

<10-1 8 m

原子 ~ 10-10 m

原子核~ 10-14 m

质子（中子）

电子

夸克

标准模型的基本粒子

第一代 第二代 第三代

夸克

轻子

所有物质 由 6 夸克， 6 轻子构成

+2/3

-1/3

-1

0电荷

我们周围存在的稳定物质

都是由第一代基本粒子组

成的

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基本粒子间的相互作用

夸克间或轻子间通过弱力互相转化；夸克间通过强力形成质子和中子，进而形成原子核；万物通过引力相互作用形成了宇宙。

引力

电磁力

强力 弱力

相互作用即一般所说的“力”

原子核与电子通过电磁力形成原子及万物；

质子 中子

强相互作用—— BESII 重要课题

• 标准模型的希格斯粒子已被发现，弱电理论被大量精确测量所确认；另一方面，强相互作用在非微扰能区的描述成为理论最大的困扰。

• 检验强相互作用理论及相关模型，为标准模型的发展提供实验数据。

强力

强相互作用—— BESII 重要课题

研究强子的结构，回答自然界中是否存在超出夸克模型的新型强子这一基本问题。

分子态 四夸克态 五夸克态介子 重子

常规的

理论上都是允许的

实验上没有确凿证据有 , 极少

“ 没有任何规律说不允许八腿马的存在，但我们从来没有见到过。 如果发现了一匹八条腿的马，那你肯定会觉得特别有趣，就想找个理论来解释它。” — 埃里克•斯旺森 教授

物理学家总喜欢把事情组织的井井有条，非生活琐事

对撞点

利用加速器和探测器加速器：1. 把正、负电子加速到接近于光

速，（ BEPC:~ 0.99975 倍光速 )

2. 将它们迎头对撞。探测器：由多个子探测器组合成；记录粒子的径迹

E=Mc2

ZC

y+

加速器象时间机器 (time machine) 能产生宇宙诞生瞬间 ( 高温高密度条件 ) 时存在的粒子。

研究的粒子通常寿命很短，一旦产生马上衰变到更稳定的粒子 ； 能够探测到的是衰变后的产物。

探测器

• 利用各种粒子和物质相互作用的不同特征，记录粒子的位置，测量粒子能量、动量。

• 探测器象洋葱 , 是一层一层的 , 每层测量不同的量。

• 综合各种信息 , 计算出粒子们的种类、速度、方向等。

侦探通过坏人留下的证据来破案

不是 当场看到

m-

m+

p- p+

BESIII 探测器 捕捉到的事例

p+ p-J/ 　 +-

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挑战计算能力、存储能力

19

BEPCII, IHEP, ’08-’18(?)1×1033 cm-2.s-1

北京正负电子对撞机 (BEPC) 和 北京谱仪 (BESIII)

中国科学院高能物理研究所

世界上唯一工作在 - 粲物理能区的 e+e-

对撞实验。1984 ： 2.4亿2004 ： 6.4亿

20

20

Japan (1)Tokyo Univ.

US (6)Univ. of Hawaii

Univ. of WashingtonCarnegie Mellon Univ.

Univ. of Minnesota Univ. of Rochester

Univ. of Indiana

EUROPE (11)Germany: Univ. of Bochum,

Univ. of Giessen, GSIRussia: JINR, Dubna; BINP, Novosibirsk

Italy: Univ. of Torino ， Frascati LabNetherland ： KVI/Univ. of Groningen

BESIII 国际合作组

China(26)IHEP, CCAST, Shandong Univ., Univ. of Sci. and Tech. of China

Zhejiang Univ., Huangshan Coll. Huazhong Normal Univ., Wuhan Univ.Zhengzhou Univ., Henan Normal Univ.

Peking Univ., Tsinghua Univ. ,Zhongshan Univ.,Nankai Univ.

Shanxi Univ., Sichuan UnivHunan Univ., Liaoning Univ.

Nanjing Univ., Nanjing Normal Univ.Guangxi Normal Univ., Guangxi Univ.Hong Univ., Hong Kong Chinese Univ.

Korea (1)Souel Nat. Univ.

Pakistan (1)Univ. of Punjab

350 成员，来自 11 国家， 52 个研究单位

可爱的鸭嘴兽

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选择 e+e- +-J/ 事例

• 选择四个带电粒子， J/ 利用其轻子对衰变重建 .• 样本非常干净 , 选择效率可达 40%. 采用运动学拟合改善分辨率 .

• 只用 MDC 和 EMC信息 , 蒙特卡罗模拟可靠 .

典型J/ e+e-典型

J/ +-

发现 Zc(3900)— 带电的类粲偶素粒子

_

Zc(3900)

BESIII: 2013 年 3 月 24 日 首次发现 ~ 300 Zc(3900)日本 Belle ： 3 月 30 日确认 美国 CLEOc ： 4 月 10 日确认

Zc+(3900) 至少含 4 个夸克

Zc+(3900) 是奇异粒子

四夸克态？分子态 ?

“如果 Zc(3900) 粒子是个类似于分子的结构 , 它也是一种新的物质形式，这就好比是发现了一只鸭嘴兽，虽然没有八条腿的马奇特，也很罕见”

— 埃里克•斯旺森

四夸克态（八腿马 没见

过）

分子态（鸭嘴兽 澳大利

亚）

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美国物理学会《物理学》2013年物理重要进展之首！

还在继续寻找更多 Zc …

寻找更多衰变 ?

w

还需要做什么？

• 精确测量质量、寿命 , 确定量子数• 寻找更多的衰变道，其他 XYZ 粒子 ?

• 高能区采集更多实验数据

28

29

总 结

• 2013年北京谱仪发现了 Zc(3900) 。它不是普通粲偶素！

• Zc(3900) 的属性还不明确 , 但至少含有四个夸克！

• 无论 Zc(3900) 粒子是“八腿马” (四夸克态）、还是“鸭嘴兽”（分子态） , 都有助于对夸克如何构成物质问题的理解。

• BESIII 将继续这个方向的研究 , 深入理解强相互作用的性质。

请继续关注北京谱仪，明年再来

致谢：部分图片摘自苑长征老师报告

谢谢 !