此图显示了复能量平面的轮廓。每种颜色对应于不同的 D-介子对。尽管形状差异很大，但它们都围绕着一个共同的山峰旋转。这意味着存在一个耦合到所有三个通道的谐振。图片来源：Jefferson Lab 插图/David Wilson

几十年来，一种难以捉摸的粒子最初形成于早期宇宙的炙热、密集的漩涡中，一直困扰着物理学家。在 2003 年意外发现它之后，科学家们开始在大爆炸后观察到一系列与百万分之一秒相关的其他奇怪天体。

这些信号在高能实验的数据中显示为“凸起”，由于缺乏更好的标签，这些信号被称为短暂的“XYZ 状态”。它们违背了粒子行为的标准图景，是当代物理学中的一个主要问题，引发了人们多次尝试理解它们的神秘性质。

但美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施（Thomas Jefferson National Accelerator Facility）的理论家认为，实验数据可以用比目前声称的更少的 XYZ 态（也称为共振）来解释。

研究人员代表杰斐逊实验室的理论和计算物理中心以及英国的剑桥大学，使用量子物理学的一个分支来计算粒子的能级（也称为质量），这些粒子包含某种“风味”的亚原子构建块（称为夸克）。

该团队发现，共享相同自旋度数（角动量）的多个粒子状态是耦合的，这意味着每个自旋通道只存在一个谐振。这种新的解释与其他几项理论和实验研究相反。

“我们主张，如果将数据合并到耦合通道分析中，我们更有可能了解实验光谱，”杰斐逊实验室的科学家和威廉玛丽学院的教授Jozef Dudek说。“我们的假设是，这种方法最终可能会减少解释所有数据所需的共振数量。”

Dudek 和他的理论中心同事在为国际强子光谱合作 （HadSpec） 发表的两篇配套论文中展示了他们的结果，这些论文发表在 Physical Review Letters 和 Physical Review D 上。这项令人兴奋的工作也可能很快提供关于一个具有神秘名称的令人困惑的粒子的线索：X（3872）。

魅力夸克是六种夸克“味道”之一，于 1974 年首次通过实验观察到。它与它的反物质对应物 anticharm 一起被发现，以这种方式配对的粒子是称为“charmonium”的能量区域的一部分。

快进到 2003 年，日本高能加速器研究组织 （KEK） 的 Belle 实验发现了一种名为 X（3872） 的新型候选 charmonium。它神秘的名字让人联想到系外行星等星际天体，但 X（3872） 是一种短暂的粒子状态，似乎与目前的夸克模型相悖。

一些科学家声称 X（3872） 可能是四夸克，它是由两个夸克和两个反夸克组成的复合粒子（强子）。相比之下，质子和中子是具有三个夸克的强子。X（3872） 的其他可能解释包括两个介子的分子状结合系统，每个介子包含两个夸克，或某种夸克-胶子杂化物。

“X（3872） 现在已经有 20 多年的历史了，我们仍然没有得到一个每个人都可以支持的清晰、简单的解释，”来自英国的杰斐逊实验室科学用户大卫威尔逊说。的作者，也是 HadSpec 研究的主要作者。

已经观察到其他奇异的候选状态，例如 Y（4260） 和 Zc（3900）;因此标签 XYZ。事实上，发现了如此多的状态，以至于在 2017 年，Particle Data Group 修改了其命名方案。

这种激发态的大杂烩是现代粒子加速器捕获的数据量爆炸的结果。

“高能实验开始测量比他暗淡数百倍的过程，”Dudek 说。“他们开始看到凸起，被解释为新粒子，几乎在他们看到的任何地方。这些州中很少有人同意之前的模式。

“XYZ”字母汤促使 HadSpec 小组开始使用量子场论对状态光谱进行排序。

IRREPS ΛP=A+1、E+ 和 T+2 中的光谱，整体动量为零，分别具有领先的 JPC=0++、2++ 和 2++ 部分波。点是计算出的有限体积能量，根据其主要运算符重叠进行着色，颜色在右侧的键中给出。黑点与类似 cc 和类似 D ̄D 的运算符都有很大的重叠。实线表示非相互作用的介子-介子能量，虚线表示运动学阈值。退化的非交互水平由多条平行曲线表示，能量略微偏移，以便视觉清晰。信用：物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.241901

量子色动力学 （QCD） 描述了夸克与胶子的相互作用，胶子是强力的光子样载体。超级计算机具有处理大量数字的能力，可以通过将理论放在格子上来应用于 QCD。

将晶格想象成一个小的、紧密排列的点网格，代表空间和时间。理论家可以使用这个“盒子”内夸克和胶子的可能构型来预测强子的性质，例如它们的质量和寿命。

晶格盒很小，尺寸为 2 到 3 飞米，几乎比单个原子小一百万倍。但即使是如此小的体积也需要一台非常强大的计算机来对夸克和胶子的可能行为进行采样。这就是为什么 HadSpec 小组使用多个高性能计算集群（包括 Jefferson Lab 的集群）来执行令人难以置信的数学运算。

“如果你讨厌学校里的微积分，那就想象一下有史以来最糟糕的微积分问题，”Dudek 说。

HadSpec 小组计算了 charmonium 区域中介子的质量和寿命，其中 XYZ 状态已在实验中声明。这些介子迅速衰变为“D 介子”及其反物质对应物。

D 介子由一个很重的魅力夸克和一个较轻的反夸克组成，其味道为 “up”、“down” 或 “strange”。反 D 介子恰恰相反：它们包含一个反魅力夸克和一个属于较轻口味之一的普通夸克。

如果您想知道额外的夸克来自哪里，QCD 可以预测夸克-反夸克对不断产生和湮灭的真空波动。这些现象是长期理论化的空空间量子怪癖。

“在某个时候，至少出现了一对轻夸克，”Dudek 说。“当你有一个魅力-反魅力只是嗡嗡作响时，它们不存在，但它们存在于这对分离良好的 D 介子中。”

作者使用晶格结果来推断 charmonium 介子衰变的所有可能方式。为此，他们必须将一个小盒子的结果与几乎无限体积（即宇宙的大小）中发生的情况联系起来。

“在我们的计算中，与实验不同，你不能只发射两个粒子并测量两个粒子出来，”Wilson 说。“你必须同时计算所有可能的最终状态，因为量子力学会为你找到这些状态。”

结果可以简单地理解为单个短寿命粒子（共振），其外观可能会因观察到的可能衰变状态而异。

“我们正在努力尽可能简化情况，使用基本理论和可用的最佳方法，”Wilson 说。“我们的目标是解开实验中观察到的情况。”

现在 HadSpec 团队已经证明这种类型的计算是可行的，他们准备将其应用于神秘粒子 X（3872）。

“X（3872） 非常有趣，”Wilson 说。“它的起源是一个悬而未决的问题。它似乎非常接近一个阈值，这可能是偶然的，也可能是故事的关键部分。这是我们很快就会关注的一件事。

更多信息：David J. Wilson 等人，晶格 QCD 耦合通道散射中的标量和张量谐振，物理评论快报（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.241901

David J. Wilson 等人，Charmonium χc0和 χC2晶格 QCD 耦合通道散射中的共振，物理评论 D （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevD.109.114503

期刊信息： Physical Review Letters ， Physical Review D