——记南京师范大学物理科学与技术学院教授易凯

杨 洁

　　人类从诞生以来就从未停止对于物质世界来源的探索。从古代的哲学思辨中走来，18世纪时人类从近代物理和化学的角度分析万物本源问题时，由道尔顿提出的原子论也随之应运而生。时至今日，认为“物质由原子组成，原子不可分割”的原子论已经不能完整地回答这一问题，经由进一步的研究，科学家发现作为构成物质的基本单位，原子是由原子核和围绕核外部运动的电子组成的，原子核由质子和中子组成，夸克则是组成质子和中子的基本粒子。当现在的科研工作者再一次站在这个问题面前，就需要从粒子尺度出发进行研究和探索，自1993年起就参与到相关实验中的南京师范大学物理科学与技术学院教授易凯就是其中的深耕者和笃行者之一。多年如一日的坚持，让行走在这一领域前沿阵地的他收获颇丰，也让他得到了揭开神秘粒子“面纱”的宝贵机会。

“意料之外”的重大突破

　　阳春三月，一篇名为《在13TeV质子-质子对撞的J/ψJ/ψ质量谱中的新结构》（New Structures in the J/ψJ/ψ Mass Spectrum in Proton-Proton Collisions at =13 TeV）的论文被发表于《物理评论快报》（Physical Review Letter），掀起了物理学界的广泛讨论。作为这一发现的主导团队，南京师范大学－清华大学CMS团队（以下简称“南师－清华团队”）在深感兴奋的同时，也解释了这一发现的重要意义，基于世界上最大的粒子对撞机——大型强子对撞机（以下称为“LHC”）上4个大型实验之一的紧凑缪子线圈实验（CMS），研究团队揭示了由暂时被命名为X（6600）、X（6900）和X（7100）的3个粒子组成的三重态结构，它们被认为是全粲四夸克态家族的候选者。其中X（6900）曾于2020年被底夸克探测实验（LHCb）观测到，其他两个粒子则是在这次研究中首次探测到。《物理评论快报》编辑推荐点评：“在J/ψJ/ψ质量谱中呈现出3个结构，X（6900）及另外两个分别位于6.64和7.13GeV附近的新结构符合作为径向激发态家族的一部分成员的特征。”从这一成果出发，研究者正通过LHC收集更多能量为13.6TeV的质子－质子对撞数据，而CMS也将对这些粒子包括自旋－宇称、截面等在内的特性进行全面测量的工作提上日程。

　　谈到这项研究的意义所在，南师－清华团队带头人易凯娓娓道来。先前，研究者普遍认为质子等强相互作用粒子（强子）都是由两个或三个夸克组成的，但2003年发现的X（3872）打破了这一认识，也让相关研究的重心逐步转向由4个或5个夸克组成的“奇特强子”上。然而，由于被发现的粒子态均涉及轻夸克（u,d,s），使其理论模型难以构建；相较而言，全部由重夸克（c,b）组成的粒子态则更容易理解和解释。但令研究者苦恼的是，这种更为理想的粒子态“踪迹难寻”，直到2020年LHCb实验才发现了第一个全重四夸克态的候选者——X（6900）。

　　据易凯介绍，虽然X（6900）于2020年才“横空出世”，但相关研究的滥觞可以追溯到数年之前。“早在2013年，CMS在2011年和2012年（Run I）的数据中就看到了两个低质量结构的迹象；但直到现在CMS才确切地从2016年至2018年（Run Ⅱ）的数据中探测到显著信号。这是一个漫长的过程。”根据Run I的迹象，易凯带领团队设计了一种事先不看信号区间的“盲”分析法来分析Run II的新数据，从而有效地避免了潜在的偏差，并最终使这X（6600）、X（6900）和X（7100）的三重结构得以清晰地呈现出来，从而为科学工作者在多个结构中寻找规律和模型提供可能。由于理论在预测多个粒子质量的差别时更可靠，这组家族粒子能够与理论进行新的定量比较。与此同时，因具有相同量子特性而产生的“量子干涉”现象，也隐含着这些粒子来源于同一个四夸克态家族的可能性。可以说，新探测的三重态为揭示它们的性质和探索奇特强子的内部结构提供了重要线索，也为研究强相互作用的理论-量子色动力学提供了一个新的体系。

　　正如美国斯坦福大学的理论物理学家斯坦·布罗茨基（Stan Brodsky）所说：“这一发现开辟了双重味四夸克态的一个重要的新领域……显然，这只是一个开始。我们预测将会发现大量的四夸克态——具有所有可能‘味道’的夸克对/反夸克对束缚态。”奥地利科学院高能物理研究所资深物理学家、CMS实验副发言人沃夫冈·亚当（Wolfgang Adam）则表示：“这项成果为奇特强子的研究领域注入了一股新的能量，并进一步探索开辟了道路。这篇文章展示了CMS在这一领域的巨大潜力，它得益于探测器的出色性能，特别是μ子的重建、大数据集及数据分析团队的不懈努力。”

　　与此同时，沃夫冈·亚当也提到了这项成果背后南师－清华团队的重要贡献：“中国的CMS团队为CMS探测器的建设作出了重大贡献，并在此次分析中发挥了主导作用。我期待他们未来作出更多重要贡献。”对中国的研究者而言，这一成果的意义更是非凡。曾任中国LHC项目负责人的中国科学院院士陈和生颇为感慨地说道：“祝贺中国CMS团队！自从1993年卡洛·鲁比奥（Carlo Rubbio，时任欧洲核子中心所长）将LHC项目引入中国科学院高能物理研究所（北京）以来，这是第一次由一个中国CMS团队主导发现新粒子，而且是意料之外的粒子。”

迅速成长的科研队伍

　　易凯1993年开始在中国科学院高能物理研究所工作，先后参加过中国的北京谱仪实验（BES）和意大利的伊卡鲁斯实验（ICARUS），1994—1995年作为高能所派出的访问学者在意大利INFN佛罗伦萨实验室参与了CMS实验的初期预研。在看到了学科前沿的发展状况之后，易凯深知自己仍需不断精进，因此他1997年赴美国约翰·霍普金斯大学攻读博士学位，其间参加了费米实验室的对撞机探测器（CDF）国际合作组，2003年在其博士论文工作中参与了奇特强子态X（3872）的首次验证。2004年作为斯坦福大学的博士后参加了Babar实验。易凯2008年回到CDF实验，主导了奇特强子态X（4140）及稍后的X（4274）的发现等具有里程碑意义的工作内容，同期加入了CMS实验，投身于寻找新物理及奇特强子的研究工作中。2015年，他与当时在费米实验室做博士后研究的胡震开始了奇特强子研究的合作。

　　2019年，易凯加入了南京师范大学，组建了CMS实验研究团队，大约同一时间，胡震回国到清华大学组建了CMS团队，再一次促成了二人合作的契机。在他们的共同努力下，南京师范大学与清华大学组成了联合CMS团队，由易凯担任团队负责人。谈及原因，易凯诚恳地说：“粒子物理的研究需要很大的努力才能完成且不是一个人能完成的，这就需要组建一支强有力的团队共同为了这样的科研理想而努力。”就此，他将所研所思的成果和感悟带到中国，以自身和团队的力量促进中国在相关领域的深入科研和长期发展。

　　然而，在团队组建之初、具体研究工作尚未展开之时，突如其来的新冠疫情就让许多团队成员被隔绝在千里之外，不少研究岗位只能由硕士生，甚至本科生临时顶上。不过，即使开端并不完美，易凯团队依旧一步一个脚印，踏实地行走在探索粒子“真面目”的道路上，“我们的团队并不是一支很强的队伍，目前也仍处于建设和成长的过程中。现阶段看来取得的成果还可以，这也激发了我们继续向前的决心和动力”。正如易凯所说，在中国科学院、科学技术部和国家自然科学基金的帮助，以及北京大学、复旦大学、中山大学等兄弟学校的支持下，南师－清华团队从零开始快速成长、成果斐然，此次全粲四夸克家族研究结果更是进一步提升了中国在国际合作中的地位；南京师范大学CMS组也于2023年4月从两校联合团队的一部分晋升为CMS的正式成员。而易凯并未满足于此，潜心科研和教学，他觉得自己要做的还有很多。

浇灌未来的科研花朵

　　回顾自己的科研生涯，易凯坦言很多研究都持续了数年之久。其间为了应对学界的质疑和严格的审定制度，他往往需要详细且全面地回答上千个问题，同时不断学习研究所需的新领域知识，在这个时候强有力且组织完善的团队给予了他很大的助力。这不仅让他看到了学生在科研过程中表现出的巨大潜力，也让他更加坚定了自己的从教理想。

　　在易凯的学生时代，他曾得到许多良师益友的帮助和支持。如今身为高校教师，他也同样延续了这一份赤诚。不论是放手让学生参与到重大实验的过程中，或是在生活中为学生提供帮助和便利，无一不让他与学生的相处变得更为融洽。在他的悉心教导下，不少曾参与到CMS实验的本科生已经获得了直博的资格，在后续的学习和科研中都得到了良好的评价。“我希望可以在学习科研中让学生得到锻炼，帮助学生实现良好的发展。”易凯是这样想的，也是这样做的。

　　基于之前的研究，易凯也为团队定下了发展目标——首先要做的，就是逐步完成对已发现粒子的“确认”和“定性”。“对于这3个新粒子，不能只停留在现在这个阶段就满足了。我们需要对这些粒子进行进一步研究，通过更多的数据‘知其所以然’，并对其性质进行测定和分析，进一步加深我们对这些粒子的了解，从而为后续研究提供更为翔实、丰富的支持数据。”在此基础上，他将带领团队继续探索粒子世界，找寻那些尚未被人类所认识的新粒子的踪迹。“夸克可分为上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）、顶（t）6种。上夸克和下夸克这两种质量较低的夸克较为常见，相关研究也比较多；但奇、粲、顶及底夸克则只能经由诸如宇宙射线或粒子加速器这样的高能粒子碰撞才能产生并快速衰变，所以这些夸克形式并不常见，我们现在研究的3个粒子就属于粲夸克的范畴。当‘抓到’粲夸克粒子以后，我们也希望可以向质量3倍于粲夸克的底夸克发起冲锋。从这个思路出发，我们将继续尝试寻找和验证是否存在全部由底夸克组成的新粒子，并以此为助力对新物理的世界开展长期深入的探索。”站在全新的发展节点上，易凯那颗探索未知世界的求索之心从未冷却。在未来，他将继续以严谨的科研之心叩问物理世界的未知领域，坚定地带领团队在CMS实验中作出南师独特的贡献，以进一步提高南京师范大学在国际上的声誉、拓展国际影响力为己任，坚定地走下去。

专家简介

　　易凯，南京师范大学特聘教授，清华大学访问教授。主要开展实验粒子物理研究，首次发现奇异粒子Y（4140）和Y（4274）和稀有过程双虚光子湮灭。作为主要贡献者的合作组文章十余篇，独立作者文章两篇，总引用数约2000次。发表署名《科学引文索引》（SCI）论文1000余篇，包括《物理评论快报》（Physical Review Letter）、《自然》（Nature）、《自然·物理学》（Nature Physics），总引用数超过10万次。