欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的底夸克（LHCb）实验近期观测到了一个全新的含奇异夸克的五夸克态存在证据，相关成果发表于最新一期的英文版《科学通报》【Sci. Bull. 66 (2021) 1278】。我院孙亮教授、蔡浩副教授和博士研究生方勃同学等组成的研究团队在这项研究中有突出贡献。该工作由LHCb合作组共同完成，武汉大学和清华大学主导了相关的分析工作。按照高能物理学界的惯例，论文由合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。
基于2011-2018年采集的所有数据，LHCb实验在含奇异夸克底重子到粲夸克偶素（J/ψ）、超子（Λ）和K介子衰变中观测到一个全新的J/ψΛ 共振结构。这个共振结构的信号显著性水平为3.1倍标准差，质量约为质子质量的4.5倍，性质与包含奇异夸克的五夸克态相符，所以被称为Pcs粒子。和之前发现的五夸克态相比，新的五夸克态含有一个质量稍重的奇异夸克，实验上更难产生。
该结果是自2015年以来，首次在底重子到粲夸克偶素（J/ψ）、质子（p）和K介子以外的过程中发现的五夸克态存在证据。这一方面是对五夸克态存在的又一次验证，另一方面，实验上观测到的Pcs性质，尤其是其质量峰的近阈特性，与Pc的研究结果遥相呼应，为五夸克态的理论解释提出了更丰富的信息，并预示一个庞大而精彩的五夸克态家族正在浮出水面。
五夸克态的相关研究对于准确理解强相互作用在低能区的性质有着重要的意义。在粒子物理的标准模型中，强相互作用由量子色动力学（QCD）描述，而QCD在低能区所表现出的非微扰特性，使得从第一性原理出发的理论计算非常困难。五夸克态作为一种全新的强子态，有希望开拓出崭新的研究平台，用以验证基于QCD基本思想的有效理论以及格点计算等方法对低能区强相互作用的描述精度。
位于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机是目前世界上能量最高的粒子加速器。LHCb是其上的大型实验装置之一，致力于精确测量重味强子（即含粲夸克或底夸克的强子）的性质，以期探索宇宙中正反物质不对称之谜、寻找超出标准模型的新物理，理解强相互作用等。武汉大学于2016年加入LHCb以来，在物理研究方面取得了包括双粲重子发现等重要物理成果。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金资助。武汉大学超算中心对相关物理分析提供了重要的算力支持。
论文详情：
Evidence of a J/ψΛ structure and observation of excited Ξ- states in the Ξb-→J/ψΛK- decay，Science Bulletin, doi: 10.1016/j.scib.2021.02.030, arXiv:2012.10380
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927321001717?via%3Dihub
图：含奇异夸克的五夸克态产生示意图
