粒子的共振態(tài)j

粒子的共振態(tài)j

北京國際光譜合作組最近利用了580萬hj數(shù)據(jù)。在分析j-輻射變化到正反質(zhì)子（j-）的過程中，物質(zhì)和反質(zhì)子的不變質(zhì)量分布在閾值范圍內(nèi)，得到了顯著增加，可以解釋為一種新的共同激勵(lì)狀態(tài)。即J/ψ粒子先衰變成光子和這個(gè)可能的新共振態(tài),此共振態(tài)再衰變到質(zhì)子反質(zhì)子對(duì)。它的質(zhì)量約為1859MeV,略小于質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量之和;自旋為0;寬度很窄,小于30MeV。它不能用這個(gè)質(zhì)量區(qū)的已知粒子來解釋。這項(xiàng)研究成果的論文已在世界最具權(quán)威和最有影響的物理學(xué)期刊《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》(2003年7月)上發(fā)表。北京譜儀合作組是由高能物理研究所和國內(nèi)17所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)及美國、日本、韓國和英國的物理學(xué)家和研究生組成的。這次發(fā)現(xiàn)新共振態(tài)的消息頓時(shí)引起了各方的廣泛關(guān)注。人們都很想知道,這一新發(fā)現(xiàn)有何物理意義?這是不是又是一個(gè)突破性的成就?要想回答這些問題,就需要了解一些粒子物理學(xué)的有關(guān)知識(shí)。人們最初是按粒子的質(zhì)量大小將它們分為3類,并給每類一個(gè)統(tǒng)稱。質(zhì)量大的叫做重子,例如質(zhì)子和中子;質(zhì)量小的叫做輕子,例如電子和幾乎無質(zhì)量的中微子;大小介于兩者之間的叫做介子,例如π介子。后來根據(jù)重子和介子都受強(qiáng)力(公認(rèn)4種基本的自然力是:強(qiáng)力、電磁力、弱力和引力)支配的這一性質(zhì),把它們統(tǒng)稱為強(qiáng)子。早期有些物理學(xué)家猜測介子由質(zhì)子和反質(zhì)子束縛態(tài)組成,但被后來夸克模型代替。1964年蓋爾曼等人提出了關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型。在夸克模型中,重子由3個(gè)夸克組成,而介子則由正反兩個(gè)夸克組成。在初期提出的夸克模型中,只有3種夸克,分別稱為u、d、s。1974年,J/ψ粒子被丁肇中教授和里克特教授各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)后,3種夸克的理論無法解釋這種長壽命的介子,因此引入第4種夸克,即粲夸克c,而J/ψ粒子是由一個(gè)粲夸克(c)和一個(gè)反粲夸克()組成的。這以后又引入了第5種夸克底夸克b和第6種夸克頂夸克t。到1995年為止,理論上預(yù)言的6種夸克都被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了。J/ψ粒子在正負(fù)電子對(duì)撞中產(chǎn)額很高,J/ψ粒子的衰變是研究強(qiáng)子譜和尋找新粒子的理想途徑。北京譜儀獲取的5800萬J/ψ粒子事例比國際上其他同類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)約高一個(gè)量級(jí),為物理分析創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的質(zhì)子反質(zhì)子近閾下的增長如為一個(gè)粒子,則其壽命非常短,因此也被稱為共振態(tài)。此前,在分析北京譜儀于20世紀(jì)90年代初獲取的800萬事例數(shù)據(jù)時(shí)就發(fā)現(xiàn)過這個(gè)可能的新共振態(tài)存在的跡象,但是由于統(tǒng)計(jì)量有限,不足以確定它為新共振態(tài)。所謂共振態(tài),是一種不穩(wěn)定的強(qiáng)子,它帶有強(qiáng)子的諸如自旋、宇稱、同位旋等各種量子數(shù)。共振態(tài)粒子一般都是通過強(qiáng)力衰變,因而壽命很短,大約10-20—10-24秒。根據(jù)量子力學(xué)能量和時(shí)間的不確定原理,不穩(wěn)定粒子沒有確定的質(zhì)量,其不確定程度稱為寬度(),與粒子的壽命(τ)成反比()。共振態(tài)粒子的寬度可以高達(dá)幾百M(fèi)eV,因而說新發(fā)現(xiàn)的可能的共振態(tài)寬度很窄。盡管共振態(tài)的質(zhì)量略小于質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量之和,正是由于共振態(tài)粒子的質(zhì)量有一定的寬度,使得這個(gè)共振態(tài)仍有少量粒子的質(zhì)量大于質(zhì)子與反質(zhì)子的質(zhì)量之和,而衰變成質(zhì)子與反質(zhì)子。粒子物理實(shí)驗(yàn)研究在若干粒子的衰變中已觀察到類似的現(xiàn)象。有些物理學(xué)家認(rèn)為,所發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)粒子可能是重子反重子束縛態(tài)(也被稱作重子偶素)。由超過3個(gè)夸克組成的而又確定其不能看成由幾個(gè)顏色單態(tài)的強(qiáng)子構(gòu)成的多夸克態(tài)體系叫多夸克態(tài)。在北京譜儀上發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象也可能是一種多夸克態(tài)。尋找多夸克態(tài)一直是國際高能物理實(shí)驗(yàn)的重要目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)上早期發(fā)現(xiàn)的數(shù)百個(gè)介子共振態(tài)和重子共振態(tài)中,都沒有多夸克態(tài)的確鑿證據(jù)。最近,國際上有幾個(gè)實(shí)驗(yàn)組在進(jìn)行這方面的探索,取得了顯著進(jìn)展。而北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的實(shí)驗(yàn),新發(fā)現(xiàn)的可能的共振態(tài)由于特有的性質(zhì),尤其是很窄的寬度而很難歸結(jié)為通常的夸克-反夸克結(jié)合態(tài),因而被推測為有可能是一種多夸克態(tài)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀自1988年建成投入運(yùn)行以后取得了許多重大的物理成果,在世界高能物理研究中占領(lǐng)了一席之地。1992年北京譜儀τ子質(zhì)量的精確測量的重大成果得到了國際高能物理界的高度評(píng)價(jià)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀在1998年完成了升級(jí)改造,整體綜合性能大幅度提高,每天獲取的數(shù)據(jù)量是改造前的3—4倍,數(shù)據(jù)的質(zhì)量良好。國家有關(guān)部門對(duì)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀的運(yùn)行和研究工作給予了大力支持。中國科學(xué)院實(shí)施了知識(shí)創(chuàng)新工程,高能物理所凝煉科學(xué)目標(biāo),深化改革,完善激勵(lì)機(jī)制,瞄準(zhǔn)國家戰(zhàn)略需求和世界科技前沿,開拓創(chuàng)新,努力保持和發(fā)展中國在世界高能物理實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域占有的一席之地。國家自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)北京譜儀的物理研究工作給與了大力支持,“八五”以來一直受國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的重大項(xiàng)目資助。在1999到2001兩年運(yùn)行中,北京譜儀獲取了5800萬的J/ψ粒子事例。北京譜儀國際合作組對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入細(xì)致的分析和研究,此次發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象是這批數(shù)據(jù)的重大物理成果之一。這次新的發(fā)現(xiàn)這一消息剛剛傳出,歐洲核子研究中心著名的理論物理學(xué)家埃利斯(J.Ellis)就在一篇論國際最新進(jìn)展的文章中評(píng)價(jià)說:“這一發(fā)現(xiàn)和世界上其他新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人驚異的,對(duì)發(fā)展強(qiáng)相互作用理論有著重要意義?！睆V泛和密切的國際合作是高能物理研究基本特點(diǎn)。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)從設(shè)計(jì)之日起,就一直得到國際高能物理界,特別是李政道教授的大力支持。二十多年來,中國科學(xué)院和美國能源部每年都舉行雙邊會(huì)談,重點(diǎn)討論雙方在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀的合作。新的發(fā)現(xiàn),也是新的挑戰(zhàn)!北京譜儀國際合作組的科學(xué)家表示:目前我們的研究結(jié)果只是確定了在質(zhì)子反質(zhì)子不變質(zhì)量分布在閾能區(qū)有奇異的增長,可能是一個(gè)新的共振態(tài)。要最終明確這個(gè)可能的新共振態(tài)的基本性質(zhì)和物理意義,還要北京譜儀合作組的中外科學(xué)家進(jìn)一步做大量的深入細(xì)致的數(shù)據(jù)分析工作,更需要與國內(nèi)外的理論物理學(xué)家密切配合,認(rèn)真研究,也可能需要更大量的數(shù)據(jù)才能最終回答這些問題。北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀運(yùn)行在20—50億電子伏特的能量區(qū)域,盡管在世界上這個(gè)能量不是很高,但屬于國際高能物理實(shí)驗(yàn)研究兩大前沿之一的精確測量前沿,具有重大的物理意義,不斷出現(xiàn)新的重大成果,成為國際高能