J/ψ-J/ψ质量谱，三个质量峰从左至右依次为X(6600),X(6900),X(7300)
基于2016至2018年采集的所有“质子-质子”对撞数据，CMS合作组在两个粲夸克偶素（J/ψ）到四个缪子的衰变中，观测到了全粲四夸克粒子家族（一组由同味重夸克组成的奇特强子）。该家族中的三个共振峰依据质量被命名为X(6600)、X(6900)和X(7300)，其中X(6600)和X(6900)的显著度均超过5个标准差，X(7300)的显著度也超过了3个标准差。X(6600)和X(7300)粒子均是世界上首次被观测到；X(6900)粒子存在的证据已在两年前被LHCb实验观测到，CMS的结果确认了X(6900)的存在。该研究成果将以“在13TeV质子质子对撞产生的J/ψJ/ψ质量谱上观测到的新结构”（Observation of new structures in the J/ψJ/ψ mass spectrum in pp collisions at √s = 13 TeV）为题于近期投稿。
2020年6月，在由清华大学、南京师范大学和复旦大学主办的“低质量多轻子末态研讨会”上，来自国内各科研院所和高校等兄弟单位的粒子物理学家对全粲四夸克态进行了深入探讨，中国理论粒子学家对全粲四夸克态的计算和性质研究已经有了非常丰富的结果，为这一家族的存在提供了有利的理论依据，北京大学理论粒子物理学家赵光达院士在会上作了总结性发言。赵光达与全粲四夸克态家族有着很深的“渊源”。早在上世纪80年代，赵光达基于一种夸克-胶子模型（两个粲夸克和两个反粲夸克的组合形成的一种可能的结构）在世界上首次对全粲四夸克态家族进行了理论计算，预言了该家族的存在。 对于CMS实验的本次研究成果，赵光达院士评论道：“全粲四夸克态家族的发现对我们理解强相互作用有着十分重要的意义。在这个系统中，由于没有轻夸克组分，不太会形成‘常见’的通过交换轻介子而形成的分子态结构，从而给我们提供一个更为简单的、易于理解的物理图像。我十分高兴中国的实验粒子物理学家们在这项发现中起到了主导作用，希望在以后的工作中再接再厉。”
CMS合作组由50多个国家、约240个单位的4000多名成员组成，其中，中国组成员来自中科院高能所、北京大学、中国科技大学、北京航空航天大学、清华大学、中山大学、浙江大学、复旦大学、南京师范大学等多个单位。清华大学2017年成为合作组的正式成员单位，南京师范大学2020年依托清华大学进入CMS合作组，两校联合组成“清华-南师”CMS组，并由南京师范大学物理科学与技术学院教授、清华大学访问教授易凯担任负责人，清华大学物理系副教授胡震担任副负责人。近年来，中国CMS组在希格斯粒子性质测量和多玻色子研究等方面成绩突出，本次全粲四夸克态家族的发现进一步提升了中国组在国际合作中的地位。
2007年樱井奖（J.J.Sakurai Prize）得主、斯坦福大学教授斯坦利·布罗斯基（Stanley Brodsky）对这一结果评论道：“新发现的双J/ψ强子家族开辟了四夸克态研究中一个重要的新领域，它们非常像是由两个自旋为1的双粲夸克对组成的四夸克束缚态，这与由两个介子组成的分子态有很大区别。”
美国布鲁克海文国家实验室副所长、D0实验前发言人德米特里·杰尼索夫（Dmitri Denisov）在ICHEP2022会议现场参加了该结果的报告和讨论，他认为：“理解强相互作用是粒子物理研究中最重要的问题之一，LHC上的CMS合作组发现的这些新共振态为更深入的理解基本粒子间的相互作用铺平了道路，期待未来有更多这样令人兴奋的发现！”
“这是我们首次在实验上观测到可能由纯重味夸克组成的粒子家族。”研究组负责人易凯说，“该发现是奇特强子研究领域的重要突破。这个独特、容易理解的系统，可以帮助理论家为近20年发现的几十个奇特强子建立最终模型。”
“清华-南师”CMS组2019级博士生温宏伟在CMS合作组作了揭盲报告，博士后张敬庆、穆罕默德·阿玛德（Muhammad Ahmad）作了预审和终审报告；复旦大学沈成平团队的博士后高旭阳承担了大部分蒙特卡洛产生工作；中山大学本科生（已录取为清华大学2022级博士生）王晰宁参与了质量谱拟合研究。“清华-南师”CMS组的其他研究生和本科生共计十多人也参与了这项工作。
清华大学高能物理研究中心主任、物理系教授王青对此课题的更深入发展与突破寄予厚望，他认为：“在超越标准模型的新物理迟迟不能被实验确认的时代，多夸克态新粒子，如五夸克态、全粲四夸克态等的发现，是推动粒子物理研究发展的重要前沿，中国人在其中起了关键性的作用。清华高能中心继2015年在LHCb实验上主导五夸克粒子的发现以及后续的不断发现之后，本次又在CMS实验上发现全粲四夸克家族，为我们在该领域的继续深入探索打下了坚实的基础，未来几年的研究非常令人期待。”
在粒子物理标准模型框架下，物质世界的基本粒子有夸克、轻子等。两个夸克或三个夸克分别组成了传统的介子和重子，统称为“传统”强子。除此之外的强子，比如由四个甚至五个夸克组成的，或者含有胶子成分的，叫做“奇特”强子。早期发现的可能的奇特强子仅包括K*等一些较轻的介子，而2003年BELLE合作组发现的可能奇特介子X(3872)掀起了近二十年世界上对“重味”奇特强子研究的热潮，并成为高能物理的长期热点之一。之后中国BESIII合作组发现的带电奇特强子Zc(3900)+等则确认了该类奇特强子不同于传统粲偶素的奇特性——带电性，并把重味奇特强子的研究进一步推向了高潮。奇特强子的实验研究经常充满曲折。如X(4140)粒子，2009年CDF实验发现之后，又被其他实验否定，直至2017年LHCb以更大的统计量重新确认其存在，历时8年才最终得到大家认可。再如五夸克态，尽管本世纪初就在多个实验中初见端倪（后经验证均为统计波动），仅有2015年LHCb发现的五夸克态最先得到广泛认可，并入选当年世界物理十大突破。
供稿：物理系
题图设计：任帅
编辑：李华山
审核：李含
2022年07月11日 09:54:28
