优势互补 揭开“奇特强子”之谜

 

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在一次国际会议期间，卡林纳（左）、郭奉坤（中）与苑长征讨论合作研究课题。研究团队供图

2018年底，国家自然科学基金委员会（以下简称自然科学基金委）发布的一则项目指南引起了苑长征的注意。

项目指南开头写着：“根据自然科学基金委与以色列科学基金会于2007年10月签署的合作备忘录和之后达成的合作共识，2019年双方将共同资助合作研究项目，支持两国科学家开展实质性的创新研究与合作。”

苑长征是一名实验物理学家，就职于中国科学院高能物理研究所。看到项目指南后，他的脑海里闪出了两个名字——“奇特强子”和“马雷克·卡林纳（Marek Karliner）教授”。

奇特强子是一种超出传统夸克模型的、理论假想的亚原子粒子。2013年，苑长征所在的北京正负电子对撞机北京谱仪III实验团队发现了奇特粒子Zc（3900）。它被认为是首个具有确凿实验证据的四夸克态粒子。这一发现在国际上产生了很大影响力。然而，人类对于奇特强子的确切性质还缺乏了解。

卡林纳教授是理论物理学家，在以色列特拉维夫大学任教，年近七旬，却依然活跃于粒子物理强子谱领域。他对四夸克态和五夸克态性质的理论预言，先后被欧洲核子研究中心和中国、美国、日本的多个大型实验验证。

“实验、理论合作，或许会对破解奇特强子问题有所帮助。”苑长征想。

实验与理论的结合

2004年，苑长征在一次国际学术会议上结识了卡林纳，而卡林纳也一直与中国物理学家保持着合作关系。

苑长征觉得，这位活跃在学术前沿的理论物理学家也许能帮助他们对实验现象进行更深层次的理论了解。苑长征一边琢磨，一边先联系了从事实验物理研究的中国科学院高能物理研究所研究员刘北江以及从事理论物理研究的中国科学院理论物理研究所研究员郭奉坤和中国科学院近代物理研究所研究员谢聚军。与卡林纳有过合作经历的谢聚军，与苑长征想到了一块儿。

得知中国科学家的计划后，卡林纳欣然加入。于是，4位中国科学家与一位以色列科学家组成了一个寻找奇特强子并研究其物理性质的团队。他们分别用中英文写出项目申请报告——《奇特强子结构的理论与实验联合探究》，中文版递交给自然科学基金委，英文版递交给以色列科学基金会。

2019年底，双方科学家分别从各自国家拿下项目。一场为期3年的、以北京谱仪III为平台的合作正式开启。

“在这项研究中，大家取长补短，尤其是理论与实验的有机结合，有效促进了研究进展。”苑长征告诉《中国科学报》。

合作过程中，苑长征主要负责项目组织、研究计划制订、粲偶素与类粲偶素相关实验研究、研究生培养和文章撰写等。刘北江主要进行北京谱仪III胶球的系统研究，并主导了北京谱仪III的1-+奇特强子态的研究。郭奉坤主要进行关于类粲偶素和粲介子的理论研究，并探索三角奇点的分析框架的建立。谢聚军主要进行关于轻强子谱学和性质的理论研究，利用手征幺正理论和有效拉氏量方法了解强子物理。卡林纳则聚焦于实验结果的可能理论解释并探索理论发展需要的新的实验测量。此外，多名中国研究生、博士后也参与其中。

互补激发灵感

3年研究过程中，比较具有代表性的成果是他们提出了利用现有和未来计划的加速器产生反中子和超子等稀有粒子的新方法。

2021年初，一个偶然的机会，苑长征与一名博士生讨论利用机器学习的方法模拟北京谱仪III实验上反中子在量能器晶体里的能量沉积。在讨论的过程中，苑长征隐约感觉到，要想得到这个问题的答案，需要先细致地探明反中子与晶体物质之间发生的物理过程。然而，他查找了手头的文献，又问过几个国内同行，都没有找到关于反中子与其他物质作用过程的比较完整的研究成果。

苑长征又一次想到了他的合作伙伴卡林纳。

2021年2月23日，苑长征给卡林纳发了一封邮件：“敬爱的马雷克，反中子-中子和反中子-质子之间相互作用的物理效应如何？我无法找到以前对这些相互作用过程的测量，我想我们可以在北京谱仪III上做一些测量。”

当天下午，他收到了卡林纳的回信：“我找到了过去4个相关测量实验，如下所示。在我看来，除了做一些量子色动力学的测量，这些相互作用的研究也与天体物理学相关。”

苑长征和卡林纳都兴奋极了。接下来，两人的邮件往来一封接着一封，再往后，他们的视频会议一次接着一次。双方开始用最微观的实验物理方法了解最宏观的宇宙演化问题，他们共同分析反中子和超子与其他粒子相互作用的物理过程，并尝试探究中子星里中子、超子、核子等粒子之间相互作用对中子星本身形成和演化的影响。

在一次次头脑风暴中，他们提出了一个全新的想法——利用“超级J/ψ工厂”作为反中子和超子研究的新途径。

研究显示，通过未来的“超级J/ψ工厂”可以产生大量的反中子和超子等稀有粒子。正负电子对撞实验每年可以采集上万亿甚至百万亿J/ψ衰变，通过标定J/ψ衰变产生的反中子、超子和反超子并用来轰击安放在探测器中心附近的靶物质，可以研究从原子核到与中子星结构相关的物理过程。这为粒子物理学、核物理学以及天体物理学和医学物理学开辟了新的研究途径。

“传统固定靶实验装置需要为不同的专用实验产生特定种类的粒子源，并且需要共享加速器时间、耗费大量的人力和资金，因此实验研究进展缓慢。相比之下，新提出的方法允许同时使用不同粒子源进行实验，不需要额外的基础设施建设，这将大大推进实验研究进度。”苑长征说。

作为可行性研究，他们在论文里计算了在现有北京谱仪III实验上研究反中子和超子与探测器物质相互作用的产额。

2021年6月30日，两人合作的论文在线发表于《物理评论快报》，获得编辑推荐。《物理》期刊配发了题为《利用现有和未来的设施产生反中子和超子》的推介文章。

“我们联合申请的这个自然科学基金项目，为这次合作创造了契机。”苑长征感慨道。

合作结出硕果

对于粒子物理这类基础研究来说，评价其科研效率和质量的可行标准之一便是看论文的数量和质量。

2022年9月项目结题后，苑长征做了一次统计：合作的3年里，这个因科学问题而聚集起来的国际合作团队，发表了逾百篇研究论文，其中发表在《物理评论快报》上的有17篇，部分被编辑推荐，在学术界获得非常好的评价。

在国家自然科学基金和以色列科学基金的共同支持下，他们在北京谱仪III上首次发现了一个同位旋标量的新奇特强子态η1（1855），开启了1-+奇特强子态新的研究方向，这被认为是“强子谱学领域的一个重要里程碑”，引发了国际粒子物理同行的关注。

他们还发现了轴矢量粲偶素χc1（1P）产生的新方法，在历史上首次观测到正负电子湮灭直接产生非矢量粒子的过程。中国科学院理论物理研究所研究员、中国科学院院士邹冰松评价：“此项发现通过观测轴矢量粒子χc1在正负电子对撞实验上的直接产生，提供了测量非矢量粒子轻子宽度的新方法，应当推广并利用该方法系统地对其他非矢量粒子进行测量。”

与此同时，理论研究也取得了相应突破。通过矢量介子主导模型，他们预言了超过 200 个由一个粲强子和一个反粲强子组成的强子分子态，为未来的实验物理研究提供了方向。

得益于国家自然科学基金和以色列科学基金的支持，合作期间，尽管受疫情影响，但双方的国际交流并没有停下来。他们把线下交流转到了线上，中国科学家和以色列科学家还共同参加了大量国际会议并受邀作大会报告。

此外，合作过程中，苑长征、刘北江、郭奉坤和谢聚军等中国科学家的多名研究生、博士后也参与到物理分析工作中，2020年至2022年毕业的研究生及出站的博士后共有12 名，其中 10 名继续从事高能物理研究。其间，卡林纳还招收了一名中国的博士生。

“我们的合作成果丰硕。该项目的联合资助也使北京大学的博士后翁新震加入了我在特拉维夫大学的研究小组。我非常希望这种成功的合作能够继续下去。”卡林纳说。

“我们产出的诸多成果、培养的年轻人才，体现了自然科学基金委与国外其他科学资助机构共同资助合作研究项目这种国际合作的重要性。它给我们提供了一个机会，让我们可以更直接地与国际同行进行学术合作与交流。”苑长征说。