作者：倪思潔 來源： 中國科學(xué)報

優(yōu)勢互補 揭開“奇特強子”之謎

在一次國際會議期間，卡林納（左）、郭奉坤（中）與苑長征討論合作研究課題。研究團隊供圖

■本報記者 倪思潔

2018年底，國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱自然科學(xué)基金委）發(fā)布的一則項目指南引起了苑長征的注意。

項目指南開頭寫著：“根據(jù)自然科學(xué)基金委與以色列科學(xué)基金會于2007年10月簽署的合作備忘錄和之后達成的合作共識，2019年雙方將共同資助合作研究項目，支持兩國科學(xué)家開展實質(zhì)性的創(chuàng)新研究與合作?！?/p>

苑長征是一名實驗物理學(xué)家，就職于中國科學(xué)院高能物理研究所?？吹巾椖恐改虾螅哪X海里閃出了兩個名字——“奇特強子”和“馬雷克·卡林納（Marek Karliner）教授”。

奇特強子是一種超出傳統(tǒng)夸克模型的、理論假想的亞原子粒子。2013年，苑長征所在的北京正負電子對撞機北京譜儀III實驗團隊發(fā)現(xiàn)了奇特粒子Zc（3900）。它被認(rèn)為是首個具有確鑿實驗證據(jù)的四夸克態(tài)粒子。這一發(fā)現(xiàn)在國際上產(chǎn)生了很大影響力。然而，人類對于奇特強子的確切性質(zhì)還缺乏了解。

卡林納教授是理論物理學(xué)家，在以色列特拉維夫大學(xué)任教，年近七旬，卻依然活躍于粒子物理強子譜領(lǐng)域。他對四夸克態(tài)和五夸克態(tài)性質(zhì)的理論預(yù)言，先后被歐洲核子研究中心和中國、美國、日本的多個大型實驗驗證。

“實驗、理論合作，或許會對破解奇特強子問題有所幫助。”苑長征想。

實驗與理論的結(jié)合

2004年，苑長征在一次國際學(xué)術(shù)會議上結(jié)識了卡林納，而卡林納也一直與中國物理學(xué)家保持著合作關(guān)系。

苑長征覺得，這位活躍在學(xué)術(shù)前沿的理論物理學(xué)家也許能幫助他們對實驗現(xiàn)象進行更深層次的理論了解。苑長征一邊琢磨，一邊先聯(lián)系了從事實驗物理研究的中國科學(xué)院高能物理研究所研究員劉北江以及從事理論物理研究的中國科學(xué)院理論物理研究所研究員郭奉坤和中國科學(xué)院近代物理研究所研究員謝聚軍。與卡林納有過合作經(jīng)歷的謝聚軍，與苑長征想到了一塊兒。

得知中國科學(xué)家的計劃后，卡林納欣然加入。于是，4位中國科學(xué)家與一位以色列科學(xué)家組成了一個尋找奇特強子并研究其物理性質(zhì)的團隊。他們分別用中英文寫出項目申請報告——《奇特強子結(jié)構(gòu)的理論與實驗聯(lián)合探究》，中文版遞交給自然科學(xué)基金委，英文版遞交給以色列科學(xué)基金會。

2019年底，雙方科學(xué)家分別從各自國家拿下項目。一場為期3年的、以北京譜儀III為平臺的合作正式開啟。

“在這項研究中，大家取長補短，尤其是理論與實驗的有機結(jié)合，有效促進了研究進展?！痹烽L征告訴《中國科學(xué)報》。

合作過程中，苑長征主要負責(zé)項目組織、研究計劃制訂、粲偶素與類粲偶素相關(guān)實驗研究、研究生培養(yǎng)和文章撰寫等。劉北江主要進行北京譜儀III膠球的系統(tǒng)研究，并主導(dǎo)了北京譜儀III的1-+奇特強子態(tài)的研究。郭奉坤主要進行關(guān)于類粲偶素和粲介子的理論研究，并探索三角奇點的分析框架的建立。謝聚軍主要進行關(guān)于輕強子譜學(xué)和性質(zhì)的理論研究，利用手征幺正理論和有效拉氏量方法了解強子物理?？旨{則聚焦于實驗結(jié)果的可能理論解釋并探索理論發(fā)展需要的新的實驗測量。此外，多名中國研究生、博士后也參與其中。

互補激發(fā)靈感

3年研究過程中，比較具有代表性的成果是他們提出了利用現(xiàn)有和未來計劃的加速器產(chǎn)生反中子和超子等稀有粒子的新方法。

2021年初，一個偶然的機會，苑長征與一名博士生討論利用機器學(xué)習(xí)的方法模擬北京譜儀III實驗上反中子在量能器晶體里的能量沉積。在討論的過程中，苑長征隱約感覺到，要想得到這個問題的答案，需要先細致地探明反中子與晶體物質(zhì)之間發(fā)生的物理過程。然而，他查找了手頭的文獻，又問過幾個國內(nèi)同行，都沒有找到關(guān)于反中子與其他物質(zhì)作用過程的比較完整的研究成果。

苑長征又一次想到了他的合作伙伴卡林納。

2021年2月23日，苑長征給卡林納發(fā)了一封郵件：“敬愛的馬雷克，反中子-中子和反中子-質(zhì)子之間相互作用的物理效應(yīng)如何？我無法找到以前對這些相互作用過程的測量，我想我們可以在北京譜儀III上做一些測量。”

當(dāng)天下午，他收到了卡林納的回信：“我找到了過去4個相關(guān)測量實驗，如下所示。在我看來，除了做一些量子色動力學(xué)的測量，這些相互作用的研究也與天體物理學(xué)相關(guān)?！?/p>

苑長征和卡林納都興奮極了。接下來，兩人的郵件往來一封接著一封，再往后，他們的視頻會議一次接著一次。雙方開始用最微觀的實驗物理方法了解最宏觀的宇宙演化問題，他們共同分析反中子和超子與其他粒子相互作用的物理過程，并嘗試探究中子星里中子、超子、核子等粒子之間相互作用對中子星本身形成和演化的影響。

在一次次頭腦風(fēng)暴中，他們提出了一個全新的想法——利用“超級J/ψ工廠”作為反中子和超子研究的新途徑。

研究顯示，通過未來的“超級J/ψ工廠”可以產(chǎn)生大量的反中子和超子等稀有粒子。正負電子對撞實驗每年可以采集上萬億甚至百萬億J/ψ衰變，通過標(biāo)定J/ψ衰變產(chǎn)生的反中子、超子和反超子并用來轟擊安放在探測器中心附近的靶物質(zhì)，可以研究從原子核到與中子星結(jié)構(gòu)相關(guān)的物理過程。這為粒子物理學(xué)、核物理學(xué)以及天體物理學(xué)和醫(yī)學(xué)物理學(xué)開辟了新的研究途徑。

“傳統(tǒng)固定靶實驗裝置需要為不同的專用實驗產(chǎn)生特定種類的粒子源，并且需要共享加速器時間、耗費大量的人力和資金，因此實驗研究進展緩慢。相比之下，新提出的方法允許同時使用不同粒子源進行實驗，不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，這將大大推進實驗研究進度?！痹烽L征說。

作為可行性研究，他們在論文里計算了在現(xiàn)有北京譜儀III實驗上研究反中子和超子與探測器物質(zhì)相互作用的產(chǎn)額。

2021年6月30日，兩人合作的論文在線發(fā)表于《物理評論快報》，獲得編輯推薦?！段锢怼菲诳浒l(fā)了題為《利用現(xiàn)有和未來的設(shè)施產(chǎn)生反中子和超子》的推介文章。

“我們聯(lián)合申請的這個自然科學(xué)基金項目，為這次合作創(chuàng)造了契機。”苑長征感慨道。

合作結(jié)出碩果

對于粒子物理這類基礎(chǔ)研究來說，評價其科研效率和質(zhì)量的可行標(biāo)準(zhǔn)之一便是看論文的數(shù)量和質(zhì)量。

2022年9月項目結(jié)題后，苑長征做了一次統(tǒng)計：合作的3年里，這個因科學(xué)問題而聚集起來的國際合作團隊，發(fā)表了逾百篇研究論文，其中發(fā)表在《物理評論快報》上的有17篇，部分被編輯推薦，在學(xué)術(shù)界獲得非常好的評價。

在國家自然科學(xué)基金和以色列科學(xué)基金的共同支持下，他們在北京譜儀III上首次發(fā)現(xiàn)了一個同位旋標(biāo)量的新奇特強子態(tài)η1（1855），開啟了1-+奇特強子態(tài)新的研究方向，這被認(rèn)為是“強子譜學(xué)領(lǐng)域的一個重要里程碑”，引發(fā)了國際粒子物理同行的關(guān)注。

他們還發(fā)現(xiàn)了軸矢量粲偶素χc1（1P）產(chǎn)生的新方法，在歷史上首次觀測到正負電子湮滅直接產(chǎn)生非矢量粒子的過程。中國科學(xué)院理論物理研究所研究員、中國科學(xué)院院士鄒冰松評價：“此項發(fā)現(xiàn)通過觀測軸矢量粒子χc1在正負電子對撞實驗上的直接產(chǎn)生，提供了測量非矢量粒子輕子寬度的新方法，應(yīng)當(dāng)推廣并利用該方法系統(tǒng)地對其他非矢量粒子進行測量?！?/p>

與此同時，理論研究也取得了相應(yīng)突破。通過矢量介子主導(dǎo)模型，他們預(yù)言了超過 200 個由一個粲強子和一個反粲強子組成的強子分子態(tài)，為未來的實驗物理研究提供了方向。

得益于國家自然科學(xué)基金和以色列科學(xué)基金的支持，合作期間，盡管受疫情影響，但雙方的國際交流并沒有停下來。他們把線下交流轉(zhuǎn)到了線上，中國科學(xué)家和以色列科學(xué)家還共同參加了大量國際會議并受邀作大會報告。

此外，合作過程中，苑長征、劉北江、郭奉坤和謝聚軍等中國科學(xué)家的多名研究生、博士后也參與到物理分析工作中，2020年至2022年畢業(yè)的研究生及出站的博士后共有12 名，其中 10 名繼續(xù)從事高能物理研究。其間，卡林納還招收了一名中國的博士生。

“我們的合作成果豐碩。該項目的聯(lián)合資助也使北京大學(xué)的博士后翁新震加入了我在特拉維夫大學(xué)的研究小組。我非常希望這種成功的合作能夠繼續(xù)下去?！笨旨{說。

“我們產(chǎn)出的諸多成果、培養(yǎng)的年輕人才，體現(xiàn)了自然科學(xué)基金委與國外其他科學(xué)資助機構(gòu)共同資助合作研究項目這種國際合作的重要性。它給我們提供了一個機會，讓我們可以更直接地與國際同行進行學(xué)術(shù)合作與交流?！痹烽L征說。

《中國科學(xué)報》 (2023-09-25 第4版 自然科學(xué)基金)