近日，北京譜儀III國際合作組在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發(fā)表了關于Zc(3900)的自旋和宇稱量子數(shù)測量的文章，并被《物理》(Physics)雜志編輯作為特色研究論文推介。推介文章中寫道：“對正負電子對撞數(shù)據(jù)的分析確定了含四夸克粒子的自旋和宇稱”?！緮U展閱讀：Zc(3900)的自旋和宇稱量子數(shù)確立】。

　　行外人覺得有點深奧難懂，好幾個問題不明白：Zc(3900)是什么？四夸克粒子有什么意義？測量自旋和宇稱又是什么意思？

　　《物理》雜志編輯的推介文章(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　Zc(3900) 

　　Zc(3900)是北京譜儀國際合作組在北京譜儀III上發(fā)現(xiàn)的一個神秘的“共振結構”，質(zhì)量約3900兆電子伏，壽命約10-23秒(壽命10-20-10-24秒的粒子稱為共振態(tài)粒子或共振結構)。

　　2013年3月24日，北京譜儀國際合作組正式宣布了這個消息。特別的是，這個“共振結構”所具有的特殊性質(zhì)，提示了該粒子“至少”含有四個夸克，極有可能是科學家們長期尋找的一種奇特強子態(tài)。6天后，這個共振結構在日本Belle實驗得到確認，4月10日又在美國CLEOc實驗得到確認。

　　這一發(fā)現(xiàn)立即引起國際高能物理界的廣泛關注，由于理論上對Zc(3900)粒子的屬性可有多種不同的解釋，這更增加了它的神秘感。

　　Zc(3900)的共振結構(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　Zc(3900)至少含有四個夸克(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　2013年12月30日，美國物理學會主編的《物理》雜志公布了2013年國際物理學領域重要成果，北京譜儀III國際合作組“發(fā)現(xiàn)四夸克物質(zhì)”在11個入選項目中位列第一。

　　《物理》雜志評選的2013年國際物理領域重要進展(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　在發(fā)現(xiàn)Zc(3900)之前的實驗中，粒子中的強子(由夸克組成的粒子)總是由兩個或三個夸克構成(兩個夸克組成的強子稱為介子，三個夸克組成的強子稱為重子)，如果新發(fā)現(xiàn)的粒子真是由四個夸克構成，這意味著宇宙中的確存在著奇特態(tài)的物質(zhì)，粒子家族中就將加入新的成員，人們對夸克物質(zhì)的研究就需要擴展到新的領域了，這正是四夸克粒子的意義及所蘊含的神秘魅力。

　　在發(fā)現(xiàn)Zc(3900)粒子之后，又相繼發(fā)現(xiàn)了數(shù)個具有類似性質(zhì)的粒子，但圍繞四夸克粒子仍有許多謎點得不到確切的解釋。為了更深入地認識四夸克粒子，北京譜儀國際合作組利用在北京譜儀III上所獲的數(shù)據(jù)，測量了Zc(3900)的兩個重要量子數(shù)——自旋和宇稱。

　　自旋和宇稱 

　　“自旋”和“宇稱”都是微觀粒子的重要性質(zhì)。

　　自旋為0的粒子無論從哪個方向看都一樣，就像一個點，而自旋為1的粒子要在旋轉(zhuǎn)360度后才完全一樣。每個粒子具有特有的自旋，自旋為半整數(shù)的粒子稱為費米子，而自旋為0或整數(shù)的粒子稱為玻色子。

　　宇稱可理解為“左右對稱”或“左右交換”，如果粒子“左右交換不變”或“鏡像與原物對稱”，就稱為“宇稱不變性”。粒子的宇稱只有兩種可能的值，不是+1就是-1。

　　當然，讓粒子“轉(zhuǎn)個圈”與“照照鏡子”只是對粒子“自旋”與“宇稱”的形象化比喻，真正要測量粒子的自旋與宇稱可就是很復雜的事了。

　　北京譜儀國際合作組在北京譜儀III發(fā)現(xiàn)Zc(3900)之后，迅速調(diào)整了原定的數(shù)據(jù)采集計劃，將相關的數(shù)據(jù)量擴大到之前的4倍，因而擁有了世界上研究Zc(3900)及相關粒子性質(zhì)的最大數(shù)據(jù)樣本。在進一步的數(shù)據(jù)分析中，合作組取得了一系列重要成果，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Zc(3885)、Zc(4020)、Zc(4025)等新的奇特粒子。正是依據(jù)這些重要實驗結果，科學家們認為理論上預言的“奇特態(tài)物質(zhì)”也許確實存在。

　　由于其中的Zc(3885)與Zc(3900)的質(zhì)量差別很小，它們有沒有可能是同一個粒子呢？為解答這個問題，北京譜儀國際合作組利用挑選的6000多個事例，將這兩個粒子的自旋和宇稱量子數(shù)進行了比較。在Zc(3900)粒子取各種自旋-宇稱量子數(shù)的情況下，通過分波分析法(研究輕強子譜的一種極為重要的工具和手段)來擬合數(shù)據(jù)。結果表明：在自旋-宇稱JP=1+（即自旋為1，宇稱為+1）的情況下與數(shù)據(jù)達到最佳匹配，這個結果與Zc(3885)粒子的自旋-宇稱一致，支持了這兩個結構是同一個態(tài)的結論。

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　　■北京譜儀 

　　安裝在北京正負電子對撞機儲存環(huán)南對撞點的北京譜儀是一個大型通用譜儀，它可以觀測并記錄正負電子對撞后在納秒時間尺度內(nèi)發(fā)生的全部過程。

　　正負電子束流在對撞點對撞后，北京譜儀立即開始獲取、記錄正負電子對撞后產(chǎn)生的海量信息，包括各種次級粒子的能量、動量、飛行時間、空間位置等參數(shù)，供科學家們重建整個反應過程以開展相關研究。

　　北京譜儀的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：第一代北京譜儀20世紀80年代開始建造，北京譜儀II于20世紀90年代改造完成，2008年建成的北京譜儀III性能優(yōu)異，在國際上2-4.6 GeV能區(qū)的同類裝置中處于領先地位。它可在短時間內(nèi)獲取高統(tǒng)計量、高質(zhì)量的實驗數(shù)據(jù)，每天獲取的數(shù)據(jù)提高了兩個數(shù)量級，使在τ-粲能區(qū)對標準模型作更高精度的檢驗成為可能，為我國取得一批在國際高能物理界有影響的重要研究成果打下了堅實的基礎。【擴展閱讀：北京正負電子對撞機長啥樣？咋工作？有何用？】

　　北京譜儀III(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　北京譜儀探測器的信號引出(圖片來自網(wǎng)絡) 

　　■北京譜儀國際合作組 

　　20多年來，以高能物理研究所為主體，來自國內(nèi)外幾十所大學和研究機構的科學家組成了北京譜儀國際合作組，在τ-粲物理研究的各個領域，如輕強子譜學、粲偶素、粲介子衰變性質(zhì)、量子色動力學和τ輕子物理、稀有衰變和其他新物理尋找等方面開展探索。如今的北京譜儀III國際合作組由中國、美國、日本、歐洲等13個國家59所大學及科研機構的600余位成員組成。