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作者：汲晓奇 发布时间：2020-02-01
导读： 夸克是如何组合在一起的？它的性质是什么？是否有新的五夸克态或衰变模式？这一连串的问题也正是清华大学工程物理系专家张黎明的星辰大海，解密夸克是他的孜孜以求……
“向麦克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。这句话出自詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》。1964年，当美国物理学家默里·盖尔曼读到这里时，眼前豁然一亮。于是，他将自己的最新发现命名为“夸克（quark）”，意指一个质子中有3个夸克，质子并不是构成物质的最基本粒子。
1964年，默里·盖尔曼和乔治·茨威格独立提出了夸克模型。他们认为重子和介子是由其他3种更基本的粒子构成的，这样它们的关键特性才能得到很好的解释。他们的理论模型预言了新型粒子的存在。
目前，人类已知的夸克有6种。它的种类被称为“味”，即上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成低质量的夸克。粒子衰变是一个从高质量的态变成低质量态的过程。上及下夸克一般来说比较稳定，它们在宇宙中较为常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生并很快衰变。
新奇的世界，总是能激励各国的科学家们。2015年7月，欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的LHCb国际合作实验以确定无疑的结果向世人宣布——“五夸克态”粒子的确存在。此项研究由LHCb国际合作组成员共同完成，其中清华大学和美国雪城大学的LHCb研究人员做出了重要贡献。大家欢呼，“LHCb的实验，使人们相信自然界中除了常规物质，确实存在奇特态物质”。
那么，夸克是如何组合在一起的？它的性质是什么？是否有新的五夸克态或衰变模式？这一连串的问题也正是清华大学工程物理系专家张黎明的星辰大海，解密夸克是他的孜孜以求……
冷板凳17年，只为走进粒子世界
2019年3月26日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机上的LHCb国际合作实验宣布发现一个新的五夸克态Pc (4312)，并观测到2015年发现的五夸克结构Pc(4450)实际上是由两个质量相近的共振态Pc(4440)和Pc(4457)叠加而成。清华大学工程物理系副教授张黎明是此次新发现的主要完成者。
这是短短4年时间里，五夸克态的又一次重大发现。“此次发现或能让我们重新认识强相互作用。”高能物理学界又一次为之振奋。以清华大学工程物理系团队为主的LHCb中国组成员功不可没。
“新的研究利用了迄今为止LHCb探测器采集的所有数据，通过重新优化的事例选择条件，信号的接收效率又得到了显著提高。这次实验分析的数据有效统计量比2015年时几乎增加了一个数量级，在低统计量时无法观测到的细致结构清晰地显现出来，给予了人们新的惊喜。”新发现的主要完成者张黎明平静地回忆了此次研究过程。
张黎明言语不多，偌大的实验室听到的更多是机器的声音。他把所有的心思和精力全部用在了高能物理领域，这里是他的激情世界。说起与五夸克态的渊源，张黎明将时间回溯到了1997年。“那年我参加高考，当时老师、父母和亲戚都希望我去中国科学技术大学读书，在那里安心做科研。原因是我从小比较沉默，总喜欢一个人琢磨新奇玩意儿”，张黎明说，“后来还真考到了中国科学技术大学，这样顺理成章就选择了应用物理专业。读到大四的时候，要保研。我选择了高能物理专业的硕博连读，主要是被诺贝尔物理学奖所吸引。而且，中国科学技术大学的高能物理专业有很多国际合作项目，有机会接触到国际最前沿的研究”。
就这样，从1997年到2006年，张黎明师从张子平教授，在核与粒子物理专业深耕，拿到了学士、硕士和博士学位。在学期间，张黎明主攻量子场论、粒子物理、核物理和近代数学，为的是有坚实的理论基础。同时，他还在射线探测技术，计算机在线获取数据、分析数据，运用计算机进行理论研究等方面，积累了丰富的经验。2006年年底，张黎明到美国雪城大学从事博士后研究，加入了LHCb实验组。8年时间，沉迷于粒子物理的重味物理、电荷宇称对称性破缺（CP破坏）和奇特态（Exotic states）寻找等领域。
17年求学生涯，为张黎明今后进行独立的研究和探索打下了扎实的基础。他实现了自己进入高能物理领域的梦。说起求学时的故事，触动张黎明最深的是在日本高能研究所的Belle实验。“那时候还在读博士，我的日本导师是一个非常勤奋的人，科研能力也很很强。他一般要工作到凌晨一两点才睡觉，第二天七八点就又到工作室了。我每次发电子邮件，不论多晚，他总是即刻回复”，张黎明回忆道，“这样的科研精神，让我对科学研究有了新的认识。”在进入研究状态后，张黎明还遇到了生活上的不适应与科研无进展之间的瓶颈期，“由于生活上的一些不适应，工作进展总是很慢。再加上研究项目有难度，我就很焦急。但是，老师鼓励我不要灰心，按照自己的方法做下去。这样的鼓励，对于当时的我来说，就是茫茫大海中的灯塔。也因此，我才能够心无旁骛地按照自己的想法去做实验。后来，实验成功了，成果还发表了论文。这个，对以后走科研道路是很大的鼓舞”。
2014年，张黎明回到清华大学，从事奇特强子态研究，为他解密夸克世界开始了一段新的旅程。
五夸克态，确实存在
2015年，清华大学联手美国雪城大学和LHCb的其他单位，发现了两个新的共振态Pc(4380)+和Pc(4450)+，并认为它们和五夸克态性质相符。由于统计量不够，实验未唯一确定PC(4380）+和PC(4450)+的自旋宇称量子数，只确定它们的自旋量子数一个是3/2和另一个是5/2，宇称相反。2015年12月11日，英国物理学会旗下期刊《物理世界》公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，发现两个五夸克态的研究成果位列其中。12月18日，美国物理学会主编的《物理》杂志公布年度国际物理学领域八项重要成果，该项成果位列第二。作为LHCb国际合作组成员，张黎明在这项发现中做出了自己的贡献。
20世纪五六十年代，实验观测到200多个强子，因此探索如此大数目强子可能的内部结构并建立它们的“元素周期表”成为当时粒子物理学家思考的问题。1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格各自独立提出了强子的夸克模型，认为质子和中子不是基本粒子，而是由3个夸克组成的，并且提到可能存在奇特类型的粒子。
“夸克模型”理论创建初期，科学家们预言存在多夸克态。但是，当时没有什么能证实夸克存在的物理证据，直到实验出现了四夸克态候选者的直接证据：如北京谱仪和日本Belle实验发现了Zc(3900)等带电的奇特粒子，以及Belle发现和最终被LHCb实验证实的Zc(4430)。
“传统的夸克模型认为介子由1个夸克和1个反夸克组成，重子由3个夸克或3个反夸克组成。然而描述夸克之间强相互作用的理论却给出了不同答案：除了这两种组成方式外，或许还有以其他方式组成的奇特强子，如夸克胶子混杂态、强子分子态、多夸克态、胶子球等。然而这一理论却一直没有得到验证”。2013年3月26日，Zc(3900) 被发现。科学家们认为，这可能就是他们长期寻找的一种奇特强子。Zc(3900) 的发现被美国物理学会主编的《物理》杂志评为2013年度国际物理学领域重要成果之一。当时，LHCb数据中有现象表明可能存在五夸克态。但是，很多专家不认为是五夸克态。
“在关于是不是五夸克态方面，科学家们是极其严谨的”，张黎明回顾了当时的情形，“因为在2003年开始的几年时间里，有多家实验室声称找到了五夸克态，但是后来被证明是假的。这些实验的事例较少，统计量有限。后来，美国的一个实验提高了20倍的数据量，却没有发现之前的实验现象，因此认为不是真的五夸克态。所以，在很长的一段时间内，大家都怀疑是不是真的会存在五夸克态。”
张黎明所在的清华组沿着这一方向，做了进一步的研究，“通过检查达利兹图（Dalitz-plot）的两维分布发现，五夸克横穿整个达利兹图，信号十分明显。因此，在国际合作组里面，我们首次提出这可能是五夸克态。后面的实验证明了五夸克态的存在。随后，我们和美国雪城大学各自写了一个程序，把需要的模型放进去，然后来描述数据。最后，我们发现如果不加入五夸克态的模型，是不能描述数据的。如果把五夸克态的模型加进去，才能描述数据”。
张黎明回忆：“分析的过程非常复杂，但结果令人兴奋。正是全谱分析揭示出需要两个五夸克态才能很好地描述实验中发现的效应，我们把它们分别命名为Pc(4450)和Pc(4380)。”
有新发现的时刻，就是最幸福的时刻
发现Pc(4312)、Pc(4440)和Pc(4457)的时候，是张黎明和他的团队最兴奋的时刻，也是LHCb实验在强子谱研究上最激动人心的时刻。然而，张黎明却在思考另一个问题，“这三个五夸克态的宽度都很窄，质量略低于粲重子和反粲介子质量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束缚态，但目前也不能排除有其他可能的解释”。
这，预示着又一个新的开始。
为了深入研究五夸克态的性质，使中国科学家在实现五夸克态的发现这一重大突破后，在新强子态研究方面领域继续保持领先，张黎明和他的团队开展了系统而深入的五夸克态性质研究，主要是利用LHCb实验在2019年停机升级前预期获得的大统计量和高质量数据，完成4项关于五夸克态的实验研究，包括95%置信度下的五夸克态的自旋宇称量子数、寻找五夸克态其他的产生环境、寻找五夸克态新衰变模式等。其所用的研究方法是选取多体衰变，构建包含已知共振态和新粒子作为中间态的概率模型，对衰变事例在末态相空间的分布进行最大似然拟合，寻找中间态新粒子的贡献并确定其性质。
LHCb是大型强子对撞机上的四个大型实验之一，合作组由18个国家79家单位的1300余名物理学家组成。张黎明在研究之余还曾担任LHCb物理工作组召集人，“当时的工作主要有三个方面，一是随着数据采集量的不断增加，看哪些研究可以开展。把这些研究设想汇集起来，提供给新加入的成员；二是研究项目中有五六个工作组，采集数据的时候，会根据每个工作组的需要和优先级，分配不同的带宽采集数据。当分配方案对自己工作组不利时，积极争取合理方案；三是组织每周的工作组会议、协调推进重要的物理分析和文章发表的工作。”为了推动研究更好地开展，通宵达旦可谓家常便饭。几乎每天，张黎明都要参加很多会议，与合作组成员一起讨论问题、交流进展、协调分歧。除此之外，他还要频繁往欧洲跑，处理远程不易处理的事情，常常是周五还在清华园，周末已身在欧洲核子研究中心。常年累月，他的日程表几乎都是以分钟为单位来计算的。
有时候，张黎明也会感到研究是一项极其辛苦的工作，尤其是眼前一片黑暗的时候，“那时候，不知道路走得对不对，就意味着走错了又要重来。但是，一旦有新发现，就会特别兴奋和高兴”。
能够在科研的路上前行与坚持，张黎明特别提到了他的父亲：“高中时的数学考试，有几次没考好，父亲就帮助我分析原因。结果，发现是马虎造成的。父亲当时很生气。他使用了激将法，说我‘这些题目在初中的时候都会刷，到高中反而不会了，怎么考大学’，后来亲自陪着我做题，强调反复论证的步骤和做完题目要仔细检查的重要性。这样的训练，使我养成了认真的习惯和后来喜欢探究问题的科学素养。”
对于很多生活在柴米油盐中的普通人来说，微观粒子看不见摸不着，很多人不太容易理解他们对高能物理的热爱与专注。张黎明也不习惯跟人解释。因为在他看来，世界上最美的故事，就是在夸克世界的奇妙探索。他说：“科学研究可能在大部分情况下并没有重大发现。激励我们探索下去的因素就是之前出现的一些小问题，总想找到它的答案。当这个小问题能解决的时候，也会特别开心，然后接着做下去……”科
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