物質(zhì)世界究竟是由什么組成的？它們按什么規(guī)律“組裝”出了物質(zhì)世界？這是人類(lèi)從有了智慧開(kāi)始，就在探尋的問(wèn)題。
分子、原子、電子、質(zhì)子、中子、夸克……對(duì)基本粒子的研究是近代科學(xué)發(fā)展的一條主線。然而，其中幾乎沒(méi)有來(lái)自中國(guó)的貢獻(xiàn)。
重大突破，發(fā)生在2013年。這一年的3月26日，北京譜儀（BESIII）實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組正式宣布，發(fā)現(xiàn)首個(gè)“四夸克物質(zhì)”Zc（3900）。
成果的第一完成人、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員苑長(zhǎng)征介紹，Zc（3900）粒子的壽命很短，會(huì)在10~23秒內(nèi)衰變?yōu)橐粋�(gè)帶電π粒子和一個(gè)J/ψ粒子，這一性質(zhì)與普通介子態(tài)完全不同。“一般來(lái)說(shuō)，這一能區(qū)的粒子含有粲夸克和反粲夸克，稱(chēng)為粲偶素粒子，都是中性的，不帶電荷。但Zc（3900）粒子不僅含有粲夸克和反粲夸克，還帶有和電子相同或相反的電荷。這就提示，Zc（3900）粒子至少含有4個(gè)夸克，是我們長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找的一種新粒子。”
國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》認(rèn)為：“找到一個(gè)四夸克構(gòu)成的粒子將意味著宇宙中存在奇特態(tài)物質(zhì)”。《物理評(píng)論快報(bào)》評(píng)論：“如果四夸克解釋得到確認(rèn)，粒子家族中就要加入新的成員。”
如今，這項(xiàng)成果榮獲2023年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士王貽芳說(shuō)：“這一成果是在北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)及運(yùn)行于其上的北京譜儀上取得的。正負(fù)電子束流在儲(chǔ)存環(huán)中被不斷加速，然后在對(duì)撞點(diǎn)對(duì)撞，安裝在對(duì)撞點(diǎn)上的北京譜儀就像一個(gè)極其精密的攝像機(jī)，觀測(cè)并記錄下正負(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，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)，供我們重建整個(gè)反應(yīng)過(guò)程以開(kāi)展相關(guān)研究。”
建成于1988年的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，是我國(guó)第一個(gè)高能加速器。2008年，經(jīng)過(guò)一系列改造升級(jí)，北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)II（BEPCII）和北京譜儀III（BESIII）擁有了更優(yōu)異的性能。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員沈肖雁說(shuō)：“現(xiàn)在1天內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)約為過(guò)去的100倍，在國(guó)際上陶-粲能區(qū)的同類(lèi)裝置中處于領(lǐng)先地位。”
“正是因?yàn)橛羞@樣的大國(guó)重器，我們才能率先取得突破。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員李海波說(shuō)，“隨后，BESIII合作組又取得了一系列成果，包括發(fā)現(xiàn)了Zc（3900）新的衰變模式、發(fā)現(xiàn)了它的高質(zhì)量伴隨態(tài)Zc（4020）和含奇異夸克的四夸克態(tài)Zcs（3985）等。我們密切結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析與理論研究，將逐步揭示這些奇特態(tài)粒子的性質(zhì)。”
發(fā)現(xiàn)Zc（3900）和由此引發(fā)的理論和實(shí)驗(yàn)研究還在繼續(xù)。今年5月，BESIII合作組首次測(cè)得X（2370）粒子的自旋和宇稱(chēng)量子數(shù)，發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量、產(chǎn)生和衰變性質(zhì)都與科學(xué)界長(zhǎng)久以來(lái)尋找的贗標(biāo)量膠球特性一致。王貽芳說(shuō)：“我們相信，中國(guó)將對(duì)世界高能物理研究作出更大貢獻(xiàn)！”（記者 齊芳）