十年黄金发展的粲物理＊

2023-10-25于福升

自然杂志 2023年5期

于福升

兰州大学核科学与技术学院，兰州 730000

物质由原子组成，原子里有原子核和电子，原子核由质子和中子组成，而质子和中子由夸克组成。夸克是我们现在认识的最基本的物质组成单元，共有6种夸克组成特别简单的周期表，仅有两行三列，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克，见图1。我的研究主要围绕着粲夸克(charm)来展开。

图1 六种夸克

粲夸克是1974年由华人物理学家丁肇中和美国物理学家Richter在实验上首次发现的，他们获得了1976年诺贝尔物理学奖。粲夸克的发现是粒子物理学的一次革命，因为粲夸克的质量比质子还要大，是首次发现的重夸克。中国是国际上研究粲夸克物理的重要阵地，因为北京正负电子对撞机是目前世界上唯一运行在粲能区的实验装置。国际上另一个研究粲物理的重要场所是欧洲核子中心的大型强子对撞机(LHC)，它是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器。

粲物理在过去十年间取得巨大的突破性进展，主要包括两方面：第一是2019年在实验上首次发现了粲强子衰变的电荷-宇称对称性(CP)破坏，入选了英国《物理世界》杂志评选的“2019年十大突破”；第二是2017年在实验上探测到双粲重子，入选了科技部“2017年度中国科学十大进展”。在这两项重大进展中，中国理论家和实验家做出了非常重要的贡献。

首先介绍粲物理的CP破坏。宇宙大爆炸产生了今天看到的物质，但是为什么观测到的物质比反物质更多呢？这是一个重大的未解难题。宇宙宏观的正反物质不对称性应该来自微观的正反粒子不对称。表征正反粒子不对称的物理量是电荷-宇称对称性破坏，即CP破坏。对CP破坏的研究具有重大意义，因此其首次实验发现和理论机制分别获得1980年和2008年诺贝尔物理学奖。粒子物理标准模型预言在粲夸克、奇异夸克和底夸克系统中存在具有观测效应的CP破坏。奇异夸克系统和底夸克系统的CP破坏分别在1964年和2001年被首次发现，但粲夸克系统的CP破坏一直未被发现。在过去20年间，寻找粲夸克系统的CP破坏是粲物理中的核心问题。对含粲夸克强子衰变的理论预言具有很大的困难，主要原因是粲夸克的质量为1.3 GeV，重夸克展开的收敛性很慢，微扰论不太适用，非微扰效应太大。过去十多年间，不同的理论预言粲夸克系统的CP破坏从10-4到10-2，相差两三个量级。一个解决办法是用拓扑图方法，该方法包含全部微扰和非微扰效应，其大小可以从实验上来抽取。传统的拓扑图方法基于味道SU(3)对称性，但粲强子衰变的SU(3)对称性破坏效应是比较大的，因此传统拓扑图方法的预言能力是有所欠缺的。兰州大学的于福升教授与中国科学院高能物理研究所的吕才典研究员、台湾的李湘楠研究员合作提出了因子化辅助的拓扑图方法(factorization-assisted topologicaldiagrammatic approach，简称FAT方法)。FAT方法在因子化假设的基础上把拓扑图的短程贡献和长程贡献区分开来，其中短程贡献用威尔森系数来计算，长程贡献是对强子矩阵元做参数化。这样就包含了最主要的SU(3)破坏效应，可以正确描述粲强子衰变的动力学。在正确描述粲强子衰变的分支比的基础上去预言粲衰变的CP破坏，这样的预言结果更加可靠。2012年用FAT方法预言粲介子衰变的CP破坏为10-3量级[1]，这与当时的实验是不符的，当时的实验迹象是在10-2量级。可是从2013年开始，随着实验数据统计量的增加，实验结果不断向FAT方法的预言靠拢，并且最终在2019年实验测量到的CP破坏真的为10-3量级[2]，与理论预言符合很好，见图2。更为重要的是，FAT方法理论预言是在2019年实验确定发现粲夸克系统的CP破坏之前仅有的两篇在量级上预言正确的理论文章之一。

图2 粲介子衰变CP破坏的理论预言与实验测量结果比较。蓝线为因子化辅助的拓扑图方法(FAT方法)预言结果，黑线为不同年份实验测量的世界平均值

接下来介绍双粲重子的发现过程。20世纪70年代理论上通过夸克模型预言了双粲重子的存在。它由两个重的粲夸克和一个轻夸克组成，类似于两个恒星和一个行星组成的系统，这与我们认识的由三个轻夸克组成的质子和中子有很大不同。实验上对双粲重子的寻找经历了曲折复杂的过程。2002年SELEX实验曾经报道在→Λc+K-π+过程中发现了单电荷双粲重子(，夸克组分为ccd)的迹象。但在随后十多年间这个结果并没有被其他的实验所证实。实际上，是其他实验室被SELEX误导了，比如说LHCb实验在2013年对同样过程做了测量，但是依然没有发现信号。到2016年的时候，LHCb运行到第二阶段，这个问题就变得更重要了，因为LHCb具有当时最大的统计量，是寻找双粲重子最有希望的实验。那么双粲重子到底存不存在，如果存在，到底哪个衰变道才是寻找它的最佳过程呢？实验的主要难点在于双粲重子有超过100个衰变道，但是实验物理学家只能一个一个地去测量去寻找，而高能物理实验非常复杂，一个测量通常需要一年多时间。因此，如果理论上能指出某个最佳过程，这对实验测量和寻找就会非常有帮助。然而，理论研究双粲重子的衰变也很困难，它的衰变动力学有巨大的挑战，在那之前还没有系统性理论研究。首先，粲能标的衰变有很大的非微扰效应，理论处理本来就很难。其次，重子是由三个夸克组成的，三体问题为理论研究带来新的困难。兰州大学的于福升团队及其合作者在理论上努力去解决这些问题。利用拓扑图方法可以得到一些衰变道之间的关系。另外，我国的北京正负电子对撞机实验测量了含一个粲夸克的重子的衰变分支比，这些实验结果为研究双粲重子衰变提供了非常重要的参考。基于这些考虑，于福升2016年底在LHCb中国组报告中明确指出了寻找双粲重子的最佳探测过程是→Λc+K-π+π+[3]，其中双电荷双粲重子的夸克组分是ccu。很快，2017年7月LHCb实验就通过该过程首次发现了双粲重子[4]。更有趣的是，通过理论预言的这个过程，用LHCb在 2012年收集的实验统计数据也可以发现双粲重子存在的信号，然而由于当时用错了衰变道导致双粲重子的发现被推迟了5年。即使到现在积累了更大的统计量后，通过原先寻找单电荷双粲重子的衰变道依然没有发现信号。如图3所示，有峰就是发现了粒子，没有明显的峰就是没有明确的信号。由于发现双粲重子的重要价值，首次探测到双粲重子入选了科技部“2017年度中国科学十大进展”。LHCb中国组负责人高原宁院士专门致信兰州大学，感谢于福升的重要贡献，他强调：“双粲重子的发现是理论和实验结合的典范”。LHCb合作组发言人Passaleva教授说：“中国理论家提供了重要帮助，他们的关键建议引导该分析在正确的方向上取得了突破。”