近日，中国科学院理论物理所郭奉坤研究员与德国波恩大学杜孟林博士、华南师范大学王倩教授以及其他德国和西班牙的合作者最近在奇特强子态的研究中取得重要进展，给出LHCb实验上发现的3个五夸克态结构为强子分子态的有力证据。研究结果发表于Phys. Rev. Lett. 124, 072001 (2020)。

自2003年位于美国SLAC的BaBar实验和位于日本KEK的Belle实验分别发现粲奇异介子和类粲偶素以来，含有粲夸克的奇特强子态便成为非微扰强相互作用研究的焦点之一。强子是实验上能直接观测到的参与强相互作用的“基本”粒子，分为两大类：自旋为整数的介子和自旋为半整数的重子。物质世界的绝大部分质量来源于质子和中子，它们是质量最小的两种重子。通常，介子可理解为由一对正反夸克组成，重子由三个夸克组成，而超出这些构型的强子便被称为奇特强子态。例如，2013年由位于中科院高能物理研究所的BESIII实验率先发现的很可能是包含两个夸克和两个反夸克的四夸克态，而2015年由位于欧洲核子中心大型强子对撞机 (LHC) 的LHCb实验发现的和被广泛认为是由四个夸克和一个反夸克组成的五夸克态，它们都是奇特强子态的极佳候选者。

2019年，LHCb实验采用比2015年发现和时高一个量级的数据量，公布了出乎意料的新实验结果。他们发现存在更精细的结构，是由两个宽度更小的结构组成的，即和；此外，他们还发现了一个质量更小的。这一发现立即引发了大量理论研究，其中很多工作认为这些结构可能是由一个粲重子和一个反粲介子组成的强子分子态。这是类似于质子和中子形成的原子核的一种复合粒子。2010年，邹冰松研究员、吴佳俊博士以及他们的西班牙合作者率先提出存在质量4GeV以上的由粲重子和反粲介子形成的强子分子态。

粲夸克是一种比较重的夸克，其自旋相关的相互作用可在领头阶近似下忽略，从而包含粲夸克的系统具有近似的重夸克自旋对称性。由此，相互差别仅仅为重夸克自旋指向的强子的性质是非常相似的，属于同一家族，比如包含一个反粲夸克的自旋为0的介子与自旋为1的介子同属一个自旋多重态，包含一个粲夸克的自旋为1/2的重子与自旋为3/2的重子则同属另一个自旋多重态。自旋对称性也可以将同一家族的含粲夸克的强子与其他强子之间的相互作用联系起来。LHCb发现的的质量靠近这两个粒子的阈值，和则靠近的阈值，这也是很多人认为它们便是相应的这两对粒子的束缚态的重要原因。在这样的强子分子态的图像下，重夸克对称性则意味着还会存在类似的1个束缚态和3个束缚态。这总共7个态属于两个家族，每个家族拥有同样的轻夸克自旋，而家族内部的成员之间的差别则是重夸克的自旋构型。

郭奉坤研究员及其合作者在文章中首次将LHCb实验观测到3个结构的能谱与结合重夸克对称性的强子分子态的图像进行了详细对比。重子与介子之间的相互作用通过非相对论有效场论来构造，包括交换介子的相互作用以及接触相互作用项。通过重夸克对称性的限制，一旦从观测到的3个结构中选取两个来确定上述两个家族的接触相互作用强度之后，其余5个束缚态的质量便被基本确定了。LHCb实验测量的-质子对的能谱在此图像下可以得到非常好的描述（见下图实线与实验数据的比较），并由此可推断和的自旋分别为3/2和1/2，宇称都是负的。此外，还指出LHCb的数据中有束缚态存在的直接证据，表现为-质子对的质心能量4.38GeV附近的一个峰，其显著性为大约。这样的一个宽度很小，只有2015年LHCb宣布的宽度的1/10左右。质量在4.5GeV左右的另外3个则由于产额太小，在-质子对的能谱中表现不明显，需要从其它衰变末态的能谱以及LHC第三轮运行的数据中来寻找。

此外，郭奉坤还与博士后酒井俊太郎(Shuntaro Sakai)博士以及天津大学的刘晓海副教授为Progress in Particle and Nuclear Physics撰写了特邀综述Threshold cusps and triangle singularities in hadronic reactions，系统讨论了各种强子反应过程中出现的阈值效应以及三角奇点，文章已经在线发表。

这些工作得到了由国家自然科学基金委和德国DFG联合设立的中德跨学科重大合作研究项目CRC110、国家自然科学基金委重点项目、中以合作研究项目、彭桓武理论物理创新研究中心、中科院前沿科学重点研究项目、中科院粒子物理卓越创新中心以及中科院国际人才计划项目的支持。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.072001 https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2020.103757