欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）上的底夸克（LHCb）实验近期在底介子三体衰变的正反奇异粲介子对（Ds+Ds-）中发现了一个新奇特强子态候选者，相应证据表明其可能含有[c cbar s sbar]四夸克组分；同时，首次测量了底介子衰变到含一对奇异粲介子对的分支比。上述研究由清华大学工程物理系张黎明副教授及其博士后漆红荣、博士生陈晨主导完成。

利用LHCb实验采集的海量数据，研究团队首次观测到了底介子衰变到Ds+Ds-和一个奇异介子K+的三体衰变过程，并测量了其衰变分支比。同时，在Ds+Ds-系统的不变质量谱上看到了一个阈值增强的共振结构。分析得到此结构的质量为3956±5±10 MeV，宽度为43±13±8 MeV，量子数J^PC=0⁺⁺，被命名为X（3960）。

图1.LHCb发现的新奇特态粒子候选者X（3960）

通过强相互作用形成的复合粒子称为强子。最常见的是三个夸克组成的重子（如质子和中子）和一对正反夸克组成的介子（如正反粲夸克形成的粲偶素）。此外，强相互作用允许更复杂的强子态的存在，如四夸克态、五夸克态、夸克胶子混杂态等，统称为奇特强子态。目前已知的夸克包括上（u）、下（d）、粲（c）、奇异（s）、底（d）和顶（t）六种夸克，而胶子是在夸克间传递强相互作用。虽然描述强相互作用的理论已建立40多年，但人们对强相互作用的理解还不够深入，比如无法准确得知包含质子在内的任一强子的内部结构，又比如很难准确地计算激发态粲偶素的质量、宽度等参数。

图2.X（3960）可能的内部结构

此次发现的X（3960），如果将其解释为粲偶素家族中的一员，那么它的质量将比其自旋轨道耦合三重态的“大哥”X_c2（3930）和“二哥”X_c1（3872）的质量均大，这是一件不可思议的事。其次，近来有学者把X（3960）和X_c0（3915）看作同一个粒子，如果其是常规粲偶素，根据2023版粒子数据表（Particle Data Group），此粒子到OZI（Okubo-Zweig-Iizuka）压低的J/Ψω的分宽度竟然还比到OZI允许的D+D-和Ds+Ds-的分宽度还大，显然是不合理的。比较可能的解释是，它是夸克组分为[c cbar s sbar]的四夸克态，或者[c cbar s sbar]与常规粲偶素的混合，前者跟理论预言的最轻的组分夸克为[c cbar s sbar]的粒子吻合。此外，此粒子也可能是两介子分子态、夸克胶子混杂态，或者上述任意两者的混合等。对于诸如X（3960）等奇特强子性质的研究，有助于深入理解强力和探索物质的基本结构。

LHCb是目前世界上能量最高的粒子加速器LHC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。清华大学于2000年加入LHCb实验国际合作组，是合作组发起成员单位之一，在探测器电子学和物理研究方面均不断作出重要贡献。在LHCb探测器研制期间，工物系团队参与了外部径迹探测器和触发电子学的研制。而在刚完成的LHCb升级计划中，工物系曾鸣教授和龚光华副研究员团队在国家自然科学基金重大国际合作项目支持下，为闪烁光纤径迹探测器电子学的研制作出了重要贡献。近年来，LHCb清华组在物理研究方面取得了一系列有国际影响力的研究成果。

相关成果于8月14日分别发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《物理评论D》（Physical Review D）上。发表的两篇学术论文均被选为编辑推荐文章（Editors’Suggestion）并在期刊网页高亮介绍（High lights）。

该研究由清华大学的研究人员主导，中国科学院大学和麻省理工学院等单位参与，以LHCb国际合作组的名义完成。按照高能物理学界惯例，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。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划资助，以及清华大学自主科研计划和“双一流”学科建设项目的经费支持。