转个圈再照照镜子,查查你的自旋和宇称

摘要: “自旋”和“宇称”都是微观粒子的重要性质。

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■小溪/文

■苑长征/审校


近日,北京谱仪III国际合作组在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了关于Zc(3900)的自旋和宇称量子数测量的文章,并被《物理》(Physics)杂志编辑作为特色研究论文推介。推介文章中写道:“对正负电子对撞数据的分析确定了含四夸克粒子的自旋和宇称”。【扩展阅读:Zc(3900)的自旋和宇称量子数确立】。


行外人觉得有点深奥难懂,好几个问题不明白:Zc(3900)是什么?四夸克粒子有什么意义?测量自旋和宇称又是什么意思?


《物理》杂志编辑的推介文章(图片来自网络)


Zc(3900)


Zc(3900)是北京谱仪国际合作组在北京谱仪III上发现的一个神秘的“共振结构”,质量约3900兆电子伏,寿命约10-23秒(寿命10-20-10-24秒的粒子称为共振态粒子或共振结构)。


2013年3月24日,北京谱仪国际合作组正式宣布了这个消息。特别的是,这个“共振结构”所具有的特殊性质,提示了该粒子“至少”含有四个夸克,极有可能是科学家们长期寻找的一种奇特强子态。6天后,这个共振结构在日本Belle实验得到确认,4月10日又在美国CLEOc实验得到确认。


这一发现立即引起国际高能物理界的广泛关注,由于理论上对Zc(3900)粒子的属性可有多种不同的解释,这更增加了它的神秘感。


Zc(3900)的共振结构(图片来自网络)

Zc(3900)至少含有四个夸克(图片来自网络)


2013年12月30日,美国物理学会主编的《物理》杂志公布了2013年国际物理学领域重要成果,北京谱仪III国际合作组“发现四夸克物质”在11个入选项目中位列第一。


《物理》杂志评选的2013年国际物理领域重要进展(图片来自网络)

 

在发现Zc(3900)之前的实验中,粒子中的强子(由夸克组成的粒子)总是由两个或三个夸克构成(两个夸克组成的强子称为介子,三个夸克组成的强子称为重子),如果新发现的粒子真是由四个夸克构成,这意味着宇宙中的确存在着奇特态的物质,粒子家族中就将加入新的成员,人们对夸克物质的研究就需要扩展到新的领域了,这正是四夸克粒子的意义及所蕴含的神秘魅力。


在发现Zc(3900)粒子之后,又相继发现了数个具有类似性质的粒子,但围绕四夸克粒子仍有许多谜点得不到确切的解释。为了更深入地认识四夸克粒子,北京谱仪国际合作组利用在北京谱仪III上所获的数据,测量了Zc(3900)的两个重要量子数——自旋和宇称。

 

自旋和宇称


“自旋”和“宇称”都是微观粒子的重要性质。


自旋为0的粒子无论从哪个方向看都一样,就像一个点,而自旋为1的粒子要在旋转360度后才完全一样。每个粒子具有特有的自旋,自旋为半整数的粒子称为费米子,而自旋为0或整数的粒子称为玻色子。


宇称可理解为“左右对称”或“左右交换”,如果粒子“左右交换不变”或“镜像与原物对称”,就称为“宇称不变性”。粒子的宇称只有两种可能的值,不是+1就是-1。


当然,让粒子“转个圈”与“照照镜子”只是对粒子“自旋”与“宇称”的形象化比喻,真正要测量粒子的自旋与宇称可就是很复杂的事了。


北京谱仪国际合作组在北京谱仪III发现Zc(3900)之后,迅速调整了原定的数据采集计划,将相关的数据量扩大到之前的4倍,因而拥有了世界上研究Zc(3900)及相关粒子性质的最大数据样本。在进一步的数据分析中,合作组取得了一系列重要成果,陆续发现了Zc(3885)、Zc(4020)、Zc(4025)等新的奇特粒子。正是依据这些重要实验结果,科学家们认为理论上预言的“奇特态物质”也许确实存在。


由于其中的Zc(3885)与Zc(3900)的质量差别很小,它们有没有可能是同一个粒子呢?为解答这个问题,北京谱仪国际合作组利用挑选的6000多个事例,将这两个粒子的自旋和宇称量子数进行了比较。在Zc(3900)粒子取各种自旋-宇称量子数的情况下,通过分波分析法(研究轻强子谱的一种极为重要的工具和手段)来拟合数据。结果表明:在自旋-宇称JP=1+(即自旋为1,宇称为+1)的情况下与数据达到最佳匹配,这个结果与Zc(3885)粒子的自旋-宇称一致,支持了这两个结构是同一个态的结论。


扩展阅读


■北京谱仪


安装在北京正负电子对撞机储存环南对撞点的北京谱仪是一个大型通用谱仪,它可以观测并记录正负电子对撞后在纳秒时间尺度内发生的全部过程。


正负电子束流在对撞点对撞后,北京谱仪立即开始获取、记录正负电子对撞后产生的海量信息,包括各种次级粒子的能量、动量、飞行时间、空间位置等参数,供科学家们重建整个反应过程以开展相关研究。


北京谱仪的发展经历了三个阶段:第一代北京谱仪20世纪80年代开始建造,北京谱仪II于20世纪90年代改造完成,2008年建成的北京谱仪III性能优异,在国际上2-4.6 GeV能区的同类装置中处于领先地位。它可在短时间内获取高统计量、高质量的实验数据,每天获取的数据提高了两个数量级,使在τ-粲能区对标准模型作更高精度的检验成为可能,为我国取得一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果打下了坚实的基础。【扩展阅读:北京正负电子对撞机长啥样?咋工作?有何用?


北京谱仪III(图片来自网络)

北京谱仪探测器的信号引出(图片来自网络)


■北京谱仪国际合作组


20多年来,以高能物理研究所为主体,来自国内外几十所大学和研究机构的科学家组成了北京谱仪国际合作组,在τ-粲物理研究的各个领域,如轻强子谱学、粲偶素、粲介子衰变性质、量子色动力学和τ轻子物理、稀有衰变和其他新物理寻找等方面开展探索。如今的北京谱仪III国际合作组由中国、美国、日本、欧洲等13个国家59所大学及科研机构的600余位成员组成。


北京谱仪国际合作组成员(图片来自网络)

 

参考资料

1、Zc(3900)的自旋和宇称量子数确立,

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2017/201708/t20170818_4849983.html

2、中国电子对撞机发现4夸克物质当选美国《物理》杂志2013年最重要成果,

http://www.guancha.cn/Science/2014_01_06_197718.shtml

3、北京谱仪III实验上发现多个可能包含四个夸克的中性新粒子,

http://ucas.blog.kepu.cn/20151208213394.html

4、矢量粒子家族出现新面孔,

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2017/201703/t20170309_4756511.html

5、李晓玲,BESIII分波分析研究及物理分析的准备工作,博士学位论文2009年

6、王贻芳主编,探索微世界——北京正负电子对撞机,《浙江教育出版社》


来源:中科院高能所

编辑:J.C.


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