11年前，中国宣告发现了一个新型“神秘粒子”——“四夸克物质”Zc(3900)，在国际物理学界引发强烈震动，至今余音未了。

这一发现发生在我国正在运行的大型正负电子对撞机实验——北京谱仪III（BES III）实验上。BESIII国际合作组由来自亚洲、欧洲和美洲等17个国家、89个研究机构的600多名科学家组成。发现Zc(3900)的科研人员包括苑长征、朱科军、刘智青、李卫东、平荣刚等长期工作在BESIII实验上的中国科学家。

▲北京谱仪III（BES III）

01

更小的“神秘世界”

粒子物理能探索自然界最深层次的微观物质结构及基本物理规律。20世纪初，卢瑟福通过阿尔法粒子散射实验发现原子核，打开了人们“窥见”微观世界真实面貌的“大门”。

随着粒子物理学的发展，原子核的内部结构也被发现。原子核是由质子和中子组成的。20世纪60年代，人们发现夸克是比质子和中子更小的“神秘粒子”。目前，夸克被认为是已知物质的基本组成单元。然而，夸克构成物质的物理规律是什么？这是困扰人们半个多世纪的重大科学问题。

早在1964年，两位美国科学家盖尔曼和茨威格就在夸克模型中指出，重子（如人们熟知的质子和中子）由3个夸克构成，而介子（如π、K等）由正反夸克构成。20世纪70年代发展出的量子色动力学理论，描述了夸克之间的强相互作用。该理论允许其他组成方式的粒子存在，如多个夸克组成的多夸克态、强子分子态、夸克胶子混杂态、胶球等。

几十年来，科学家从未止步，不断发展新技术、新理论，寻找那些隐匿的新粒子。

02

大装置催生新发现

北京正负电子对撞机及运行于其上的北京谱仪，是我国建设和运行的大科学装置，聚焦陶-粲能区，研究物质最深层次的微观结构及基本相互作用。

作为一个大型通用谱仪，北京谱仪安装在北京正负电子对撞机储存环南对撞点，它像一个“摄像机”，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发生对撞的那一刻，北京谱仪立即开始获取、记录对撞产生的信息，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。

2008年，为了加快科学研究进度，升级后的北京正负电子对撞机II（BEPCII）和北京谱仪III（BESIII）建成。它们性能优异，1天内获得的数据约为过去的100倍，在国际上陶-粲能区的同类装置中处于领先地位。

2012年底，BESIII合作组实现在正负电子质心系能量4.26GeV采集实验数据。通过31天的运行，共积累了525pb-1的数据样本，亮度创下了当时新的纪录。BESIII通过研究e＋e－→π＋π－J/ψ过程，在带电πJ/ψ系统中发现了一个新的粒子，命名为Zc(3900)。

▲BESIII在π±J/ψ系统中发现的Zc(3900)信号（左）和Zc(3900)内部夸克结构的示意图（右）

03

新粒子发现引起轰动

Zc(3900)粒子的质量为3900MeV，比一个氦原子略大，宽度为46MeV，信号的统计显著性超过了8倍标准偏差，即来自背景涨落的概率小于10-16。

Zc(3900)粒子的寿命很短，会在10-23秒内衰变为一个带电π粒子和一个J/ψ粒子，这一性质与普通介子态完全不同。

该能区的粒子一般含有粲夸克和反粲夸克，称为粲偶素粒子，都是中性的，不带电荷。而新发现的Zc(3900)粒子含有粲夸克和反粲夸克且带有和电子相同或相反的电荷，提示其中至少含有4个夸克，是科学家长期寻找的一种新粒子。

2013年3月26日，BESIII合作组向全世界正式宣布了这一发现。研究结果于2013年6月17日正式发表于《物理评论快报》。

Zc(3900)发现后，很快得到了日本的Belle实验和美国的CLEO-c实验这两个国际大型合作组实验的证实，引起了一系列反响。

在国际上，英国《自然》杂志报道了“首个四夸克粒子被确认”。美国物理学会旗下《物理》杂志以“新粒子暗示‘四夸克物质’”为题进行了专题报道，并将“发现四夸克物质”列为该杂志评选的2013年国际物理领域重要成果之首。在美国Physical Review杂志2023年庆祝“QCD 50年”专栏中，Zc(3900)是“QCD研究前沿”之“奇特强子态”栏目中列出的两项代表性成果之一。

在国内，“发现Zc(3900)”入选2013年度“中国科学十大进展”、中国科学院“十二五”25项重大科技成果及标志性进展、“改革开放四十年“40项具有代表性的标志性重大科技成果”等。

来源：中国科学院高能物理研究所