粒子世界的跋涉者——记中山大学物理学院教授陈伟

李明丽

陈伟

本科毕业于兰州大学，研究生毕业于北京大学，2012年至2017年在加拿大萨省大学从事博士后工作，读书期间荣获国家奖学金、北京大学方正奖学金、北京大学三好学生，连续4年获兰州大学基地班奖学金等，2017年入选中山大学“百人计划二期”引进人才和中组部第十三批“青年千人计划”；

以第一作者或通讯作者身份在Phys.Rept.、PRL、PPNP、JHEP、PRD等高水平杂志发表相关论文40多篇，总被引用次数1700多次，h-index为22。其中，6篇论文入选ESI高被引论文，两篇论文入选E S I热点论文，长篇综述论文“The hidden-charm pentaquark and tetraquark states”（隐粲五夸克态和四夸克态）入选2016年中国百篇最具影响国际学术论文；

担任Physical Review Letters、Physical Review D、Nuclear Physics B、The European Physical Journal C、The European Physical Journal A、Frontiers of Physics等期刊审稿人，获欧洲物理杂志EPJ-2017 Distinguished Referee，Physics Letters B-Most Valued Reviewer for 2017和Chinese Physics C-Top Reviewer for 2018；

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他叫陈伟，中山大学物理学院教授，主要致力于强子结构和强子谱的研究工作，并长期关注新强子态的产生、衰变和质量谱等性质，其在隐粲四夸克态、五夸克态以及混杂态方面的理论研究受到国内外同行的关注。

选择粒子物理，走入夸克世界

说起粒子世界，陈伟从宇宙开始讲起。在他看来，他研究的是占宇宙总量4.6%的原子物质，宇宙其余部分还有24%的暗物质，以及71.4%的暗能量。暗能量具有“负引力效应”，是造成宇宙加速膨胀的重要原因。暗物质不吸收光也不发射光，无法通过电磁效应观测到，只能根据它的引力效应进行实验探测。仅占4.6%的部分是人类能够观测到的宇宙中的可见物质，比如，地球、太阳系、银河系等，被称为原子物质。这非常小的一部分，对生活在地球上的人们而言是非常重要的，它构成了人类世界的全部。

陈伟这样描述这些原子物质的存在，“它们的核心是原子核，与核外电子一起构成原子，原子以一定的次序和空间排列可以结合成分子，然后构成宏观物质。将这个过程反过来看，研究物质的微观结构，从分子到原子、原子核，原子核里面又有核子，核子由夸克和胶子构成，这就到了‘粒子物理’的研究范畴。其中，把夸克和胶子束缚起来构成核子的力量，被称为强相互作用力，研究强相互作用的理论是量子色动力学（QCD）”。

粒子物理中一个非常重要的模型，叫做夸克模型。它是一种根据强子内部价夸克组分来对强子进行分类的S U(3)理论，在1964年分别由默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出。这个分类方案，成功地将20世纪60年代之前发现的大量的强子进行了妥当分组。夸克模型在60年代后期得到了实验确认，至今仍是一套既正确又有效的分类法。几乎是在同一时期，中国的理论物理学家也建立了一个类似于夸克模型的关于强子结构的理论，即层子模型。

中国在粒子物理实验领域也扮演着重要角色。20世纪90年代以来，北京正负电子对撞机就是强子物理领域一个非常重要的实验。它由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的储存环、高6米和重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成。这是当时世界上唯一在τ轻子和粲粒子产生阈附近研究τ-粲物理的大型正负电子对撞实验装置，从BEPC到BEPCⅡ，一直在这个领域运行工作。这些理论和实验上的科研环境增加了陈伟进入粒子世界的信心。

不过说起进入粒子物理的过程，陈伟还有一个插曲，“我在高中的时候就比较喜欢物理，然后高考的时候报考了兰州大学物理系。在兰大的4年时间里，它深厚的基础物理研究传统，对我产生了巨大的影响。当时，兰大物理系的很多老先生如段一士先生、钱伯初先生等，在国内外的物理学界都很有名气。我有幸上过这些老先生的课，他们是我之后从事基础物理研究的领路人”。

提起在兰州大学的学习生涯，陈伟说他在大学三年级的时候，最想学的是宇宙学。因此，他当时自学了一些宇宙学和天体物理方面的课程。到了大学四年级分专业的时候，他在理论物理、材料物理和凝聚态物理3个班级中，选择了理论物理专业。在大四学习的过程中，他接触到了场论，这是粒子物理学最核心的一门课程，他也因此对粒子物理产生了浓厚的兴趣。后来读研究生，他选择的就是粒子物理方向。在北大深造期间，陈伟的博士研究课题是奇异强子态，他选择在强子谱和强子结构这一领域潜心研究。

在最好的时间，遇见奇异的隐粲四夸克态和五夸克态

2007年，陈伟进入北京大学攻读直博研究生学位。在北京大学从事研究的5年时间里，他的课题最初是从研究四夸克态入手的。所谓四夸克态，是由一个对夸克和一个反对夸克构成，它们通过夸克之间的颜色相互作用结合在一起，形成紧凑的束缚态。“四夸克态的质量谱、产生和衰变等性质，都是我的研究范围”，陈伟说，“2003年以来，日本的Belle、美国的BaBar、欧洲核子中心的LHCb以及中国的BESIII等粒子物理实验相继发现了许多新粒子（XYZ粒子）。这些新粒子的许多性质不符合夸克模型对传统强子态的预期，因此可以看成是超出夸克模型之外的新强子态候选者。所以，可以说我是赶上了这个领域最好的研究时机，这是当前粒子物理最前沿的研究领域之一”。

之后，为了研究类粲偶素四夸克态（含有一对正反粲夸克和一对正反轻夸克）和XYZ新粒子态的关系，陈伟和他的合作者使用QCD求和规则的方法系统地研究了类粲偶素四夸克态的完整质量谱。在这些质量谱中，有些道的质量很好地符合实验上已经发现的新粒子态的质量。他们的计算结果支持X(3872)、Y(4660)、Y(4140)、X(4274)、Zc(3900)、Zc(4020)、Zc(4200)等这些新粒子作为四夸克态的理论解释。为了进一步验证对带电的Zc粒子态的解释，他们进一步研究了带电四夸克态的衰变性质，发现它们的衰变行为也和预期相符合。

2015年，L H C b合作组报道了两个带电的隐粲五夸克态P c(4380)和Pc(4450)，它们都是在J/psi+p不变质量谱中发现的，所以都含有一对正反粲夸克和3个轻夸克。这是人类第一次发现并确认五夸克物质的存在，对进一步认识新物质形态具有重要意义，而如何理解这些五夸克粒子的内部结构就是首先需要解决的问题。

为了研究Pc(4380)和Pc(4450)的内在结构，陈伟和合作者使用了两类不同的五夸克态构型。他们研究计算了这两种体系的关联函数，发现“粲偶素+核子”构型的两点关联函数中有些非微扰项消失，这是由此种构型中特殊的洛仑兹结构决定的，因此这类构型无法进行可靠的分析，也不能用来解释Pc(4380)和Pc(4450)的内部结构。他们进一步研究了“粲介子+粲重子”构型，发现这种构型得到的两点关联函数具有完整的结构，可以很好地重建P c(4380)和Pc(4450)的质量，并对它们的自旋和宇称量子数做了预测。陈伟和他的合作者还进一步完整地研究了其他不同构型和不同量子数的隐粲五夸克态，预测了它们的质量谱和量子数，这些结果对理解LHCb合作组最新发现的Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)粒子的性质非常有帮助。随着这一能区实验数据的进一步累积和理论分析的进展，相信人们对这些新型五夸克粒子的结构和性质的认识必将取得突破。

由于在新强子态物理领域的一系列有影响力的工作，陈伟及其合作者受到著名物理学期刊 Physics Reports邀请，撰写一篇题为“The hidden-charm pentaquark and tetraquark states”的综述论文。“这篇综述详细回顾和总结了2003年以来新强子态物理的实验进展，基于类粲偶素四夸克态和五夸克态的一些重要理论工作详细评述了这些新粒子的研究现状，最后总结了这个领域有待解决的开放性研究课题。这篇综述可能是相关领域内比较早的一篇广受关注的综述论文，当时我们4个人花了半年时间，基本上每天的工作就是阅读和整理近千篇相关文献，思考如何写好这个文章”，陈伟回忆道。论文于2016年6月正式发表在Physics Reports上（Phys.R e p t. 639(2016)1-121），目前已被引用将近500次，入选为ESI高被引论文和热点论文。同时，这篇论文也入选“2016年中国百篇最具影响国际学术论文”。2018年，陈伟和他的合作者又受到著名综述期刊Progress in Particle and Nuclear Physics邀请，为其撰写了一篇综述论文，并于2019年7月发表（Prog.Part.Nucl.Phys. 107 (2019) 237-320）。

在最好的时间，相遇奇异的隐粲四夸克态和五夸克态；用一生最好的时光，潜心钻研夸克世界，成为陈伟最幸福的事。回忆起在加拿大萨斯喀彻温大学留学的时光，他说“人少气候寒冷，是个做研究的好地方。生活简单，每天基本就在办公室做科研，下班之后去健身房，周末偶尔找朋友喝酒聚餐，节奏很稳定。4年时间，没有其他事情打扰，为我打下了扎实的科研基础”。

在本科生教学课堂上

回到祖国怀抱，在“混乱”的夸克界研究未来

选择中山大学，吸引陈伟的是这里的生活环境和科研环境。“决定回国后，我接触和考察过一些高校，这其中我很喜欢中山大学。广州地处岭南，气候宜居，美食云集。在中山大学面试的时候，我觉得中大物理学院的氛围也特别好。这里有非常年轻的科研和管理团队，很多同事都年龄相仿，大家有相似的学习和研究经历，沟通交流起来方便而舒畅。另外，广东省对高能物理的支持力度是很大的，广东有大亚湾中微子实验、江门中微子实验、散裂中子源实验等，都是世界一流的大型实验项目。”2017年，陈伟从加拿大回到了祖国的怀抱。

刚一到校，陈伟就着手组建研究团队。目前，他的团队已经有七八位研究人员，主要从事粒子物理唯象学方面的研究，研究方向是低能QCD非微扰效应和量子场论中非微扰方法，涉及近年来在LHCb、B-工厂、BESIII、CDF、D0等高能物理加速器实验中发现的新型强子态。

陈伟说，“夸克模型中，介子由1对正反夸克组成，重子由3个夸克组成。除此之外，QCD允许存在更为复杂的强子构型，这些超出夸克模型的强子称为奇异强子态，如双重子态，四夸克态、五夸克态、分子态、混杂态、胶球等。研究这些新的奇异强子态构型，包括它们的能谱和产生及衰变机制，对解释实验上发现的新粒子是非常有帮助的，也对深入理解量子色动力学中强相互作用机制和低能QCD非微扰效应至关重要”。

目前，世界上许多大型粒子加速器实验如LHCb、CMS、BelleII、BESIII、PANDA、GlueX等顺利运行取数，给寻找这些奇异强子态带来了前所未有的机会，同时也给理论研究带来迫切的需求和挑战。然而目前这一领域在实验和理论研究上都很混乱，还存在许多有待解决的重要问题，如多夸克态（四夸克态，五夸克态等）是否存在的问题，胶子自由度（混杂态和胶球）的激发问题，如何理解这些奇异强子态的能谱和衰变性质等问题。

在陈伟看来，“混乱之处才是有发展潜力和发展机会的地方”。近年来，陈伟和他的研究团队将研究重心放在“构建和理解这些新强子态和奇异强子态的内在结构以及它们的衰变行为”上，这一领域有大量的工作需要做进一步的理论研究。比如，隐粲五夸克态Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)的内在结构到底是什么，是松散的分子态、紧凑的五夸克态，还是由动力学效应产生？它们主要的衰变模式是什么？它们的伴随粒子是否存在？陈伟坚信，随着LHCb、BelleII、GlueX等实验的进一步运行取数，更多的奇异五夸克态粒子在将来很可能会被观测到，对它们各种性质的理论研究也将取得更大的突破。

回到祖国怀抱，陈伟将全部的精力投入“混乱”的夸克世界中，他将在这里研究未来的粒子物理以及粒子物理的未来。