近日，北京譜儀III國(guó)際合作組在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上發(fā)表了關(guān)于Zc(3900)的自旋和宇稱(chēng)量子數(shù)測(cè)量的文章，并被《物理》(Physics)雜志編輯作為特色研究論文推介。推介文章中寫(xiě)道：“對(duì)正負(fù)電子對(duì)撞數(shù)據(jù)的分析確定了含四夸克粒子的自旋和宇稱(chēng)”。【擴(kuò)展閱讀：Zc(3900)的自旋和宇稱(chēng)量子數(shù)確立】。
行外人覺(jué)得有點(diǎn)深?yuàn)W難懂，好幾個(gè)問(wèn)題不明白：Zc(3900)是什么？四夸克粒子有什么意義？測(cè)量自旋和宇稱(chēng)又是什么意思？
《物理》雜志編輯的推介文章(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
Zc(3900)
Zc(3900)是北京譜儀國(guó)際合作組在北京譜儀III上發(fā)現(xiàn)的一個(gè)神秘的“共振結(jié)構(gòu)”，質(zhì)量約3900兆電子伏，壽命約10-23秒(壽命10-20-10-24秒的粒子稱(chēng)為共振態(tài)粒子或共振結(jié)構(gòu))。
2013年3月24日，北京譜儀國(guó)際合作組正式宣布了這個(gè)消息。特別的是，這個(gè)“共振結(jié)構(gòu)”所具有的特殊性質(zhì)，提示了該粒子“至少”含有四個(gè)夸克，極有可能是科學(xué)家們長(zhǎng)期尋找的一種奇特強(qiáng)子態(tài)。6天后，這個(gè)共振結(jié)構(gòu)在日本Belle實(shí)驗(yàn)得到確認(rèn)，4月10日又在美國(guó)CLEOc實(shí)驗(yàn)得到確認(rèn)。
這一發(fā)現(xiàn)立即引起國(guó)際高能物理界的廣泛關(guān)注，由于理論上對(duì)Zc(3900)粒子的屬性可有多種不同的解釋?zhuān)@更增加了它的神秘感。
Zc(3900)的共振結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
Zc(3900)至少含有四個(gè)夸克(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
2013年12月30日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)主編的《物理》雜志公布了2013年國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域重要成果，北京譜儀III國(guó)際合作組“發(fā)現(xiàn)四夸克物質(zhì)”在11個(gè)入選項(xiàng)目中位列第一。
《物理》雜志評(píng)選的2013年國(guó)際物理領(lǐng)域重要進(jìn)展(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
在發(fā)現(xiàn)Zc(3900)之前的實(shí)驗(yàn)中，粒子中的強(qiáng)子(由夸克組成的粒子)總是由兩個(gè)或三個(gè)夸克構(gòu)成(兩個(gè)夸克組成的強(qiáng)子稱(chēng)為介子，三個(gè)夸克組成的強(qiáng)子稱(chēng)為重子)，如果新發(fā)現(xiàn)的粒子真是由四個(gè)夸克構(gòu)成，這意味著宇宙中的確存在著奇特態(tài)的物質(zhì)，粒子家族中就將加入新的成員，人們對(duì)夸克物質(zhì)的研究就需要擴(kuò)展到新的領(lǐng)域了，這正是四夸克粒子的意義及所蘊(yùn)含的神秘魅力。
在發(fā)現(xiàn)Zc(3900)粒子之后，又相繼發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)具有類(lèi)似性質(zhì)的粒子，但圍繞四夸克粒子仍有許多謎點(diǎn)得不到確切的解釋。為了更深入地認(rèn)識(shí)四夸克粒子，北京譜儀國(guó)際合作組利用在北京譜儀III上所獲的數(shù)據(jù)，測(cè)量了Zc(3900)的兩個(gè)重要量子數(shù)——自旋和宇稱(chēng)。
自旋和宇稱(chēng)
“自旋”和“宇稱(chēng)”都是微觀粒子的重要性質(zhì)。
自旋為0的粒子無(wú)論從哪個(gè)方向看都一樣，就像一個(gè)點(diǎn)，而自旋為1的粒子要在旋轉(zhuǎn)360度后才完全一樣。每個(gè)粒子具有特有的自旋，自旋為半整數(shù)的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子，而自旋為0或整數(shù)的粒子稱(chēng)為玻色子。
宇稱(chēng)可理解為“左右對(duì)稱(chēng)”或“左右交換”，如果粒子“左右交換不變”或“鏡像與原物對(duì)稱(chēng)”，就稱(chēng)為“宇稱(chēng)不變性”。粒子的宇稱(chēng)只有兩種可能的值，不是+1就是-1。
當(dāng)然，讓粒子“轉(zhuǎn)個(gè)圈”與“照照鏡子”只是對(duì)粒子“自旋”與“宇稱(chēng)”的形象化比喻，真正要測(cè)量粒子的自旋與宇稱(chēng)可就是很復(fù)雜的事了。
北京譜儀國(guó)際合作組在北京譜儀III發(fā)現(xiàn)Zc(3900)之后，迅速調(diào)整了原定的數(shù)據(jù)采集計(jì)劃，將相關(guān)的數(shù)據(jù)量擴(kuò)大到之前的4倍，因而擁有了世界上研究Zc(3900)及相關(guān)粒子性質(zhì)的最大數(shù)據(jù)樣本。在進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析中，合作組取得了一系列重要成果，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Zc(3885)、Zc(4020)、Zc(4025)等新的奇特粒子。正是依據(jù)這些重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果，科學(xué)家們認(rèn)為理論上預(yù)言的“奇特態(tài)物質(zhì)”也許確實(shí)存在。
由于其中的Zc(3885)與Zc(3900)的質(zhì)量差別很小，它們有沒(méi)有可能是同一個(gè)粒子呢？為解答這個(gè)問(wèn)題，北京譜儀國(guó)際合作組利用挑選的6000多個(gè)事例，將這兩個(gè)粒子的自旋和宇稱(chēng)量子數(shù)進(jìn)行了比較。在Zc(3900)粒子取各種自旋-宇稱(chēng)量子數(shù)的情況下，通過(guò)分波分析法(研究輕強(qiáng)子譜的一種極為重要的工具和手段)來(lái)擬合數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在自旋-宇稱(chēng)JP=1+（即自旋為1，宇稱(chēng)為+1）的情況下與數(shù)據(jù)達(dá)到最佳匹配，這個(gè)結(jié)果與Zc(3885)粒子的自旋-宇稱(chēng)一致，支持了這兩個(gè)結(jié)構(gòu)是同一個(gè)態(tài)的結(jié)論。
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■北京譜儀
安裝在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)儲(chǔ)存環(huán)南對(duì)撞點(diǎn)的北京譜儀是一個(gè)大型通用譜儀，它可以觀測(cè)并記錄正負(fù)電子對(duì)撞后在納秒時(shí)間尺度內(nèi)發(fā)生的全部過(guò)程。
正負(fù)電子束流在對(duì)撞點(diǎn)對(duì)撞后，北京譜儀立即開(kāi)始獲取、記錄正負(fù)電子對(duì)撞后產(chǎn)生的海量信息，包括各種次級(jí)粒子的能量、動(dòng)量、飛行時(shí)間、空間位置等參數(shù)，供科學(xué)家們重建整個(gè)反應(yīng)過(guò)程以開(kāi)展相關(guān)研究。
北京譜儀的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代北京譜儀20世紀(jì)80年代開(kāi)始建造，北京譜儀II于20世紀(jì)90年代改造完成，2008年建成的北京譜儀III性能優(yōu)異，在國(guó)際上2-4.6 GeV能區(qū)的同類(lèi)裝置中處于領(lǐng)先地位。它可在短時(shí)間內(nèi)獲取高統(tǒng)計(jì)量、高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每天獲取的數(shù)據(jù)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，使在τ-粲能區(qū)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型作更高精度的檢驗(yàn)成為可能，為我國(guó)取得一批在國(guó)際高能物理界有影響的重要研究成果打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！緮U(kuò)展閱讀：北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)長(zhǎng)啥樣？咋工作？有何用？】
北京譜儀III(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
北京譜儀探測(cè)器的信號(hào)引出(圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
■北京譜儀國(guó)際合作組
20多年來(lái)，以高能物理研究所為主體，來(lái)自國(guó)內(nèi)外幾十所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家組成了北京譜儀國(guó)際合作組，在τ-粲物理研究的各個(gè)領(lǐng)域，如輕強(qiáng)子譜學(xué)、粲偶素、粲介子衰變性質(zhì)、量子色動(dòng)力學(xué)和τ輕子物理、稀有衰變和其他新物理尋找等方面開(kāi)展探索。如今的北京譜儀III國(guó)際合作組由中國(guó)、美國(guó)、日本、歐洲等13個(gè)國(guó)家59所大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)的600余位成員組成。
