汲曉奇

“向麥克老大三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。這句話出自詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根的守靈夜》。1964年，當美國物理學家默里·蓋爾曼讀到這里時，眼前豁然一亮。于是，他將自己的最新發(fā)現(xiàn)命名為“夸克（quark）”，意指一個質(zhì)子中有3個夸克，質(zhì)子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最基本粒子。

1964年，默里·蓋爾曼和喬治·茨威格獨立提出了夸克模型。他們認為重子和介子是由其他3種更基本的粒子構(gòu)成的，這樣它們的關(guān)鍵特性才能得到很好的解釋。他們的理論模型預(yù)言了新型粒子的存在。

目前，人類已知的夸克有6種。它的種類被稱為“味”，即上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。上及下夸克的質(zhì)量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成低質(zhì)量的夸克。粒子衰變是一個從高質(zhì)量的態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過程。上及下夸克一般來說比較穩(wěn)定，它們在宇宙中較為常見，而奇、粲、頂及底則只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生并很快衰變。

新奇的世界，總是能激勵各國的科學家們。2015年7月，歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的LHCb國際合作實驗以確定無疑的結(jié)果向世人宣布——“五夸克態(tài)”粒子的確存在。此項研究由LHCb國際合作組成員共同完成，其中清華大學和美國雪城大學的LHCb研究人員做出了重要貢獻。大家歡呼，“LHCb的實驗，使人們相信自然界中除了常規(guī)物質(zhì)，確實存在奇特態(tài)物質(zhì)”。

那么，夸克是如何組合在一起的？它的性質(zhì)是什么？是否有新的五夸克態(tài)或衰變模式？這一連串的問題也正是清華大學工程物理系專家張黎明的星辰大海，解密夸克是他的孜孜以求……

張黎明在清華大學工程物理系

冷板凳17年，只為走進粒子世界

2019年3月26日，歐洲核子研究中心大型強子對撞機上的LHCb國際合作實驗宣布發(fā)現(xiàn)一個新的五夸克態(tài)Pc(4312)，并觀測到2015年發(fā)現(xiàn)的五夸克結(jié)構(gòu)Pc(4450)實際上是由兩個質(zhì)量相近的共振態(tài)Pc(4440)和Pc(4457)疊加而成。清華大學工程物理系副教授張黎明是此次新發(fā)現(xiàn)的主要完成者。

這是短短4年時間里，五夸克態(tài)的又一次重大發(fā)現(xiàn)?！按舜伟l(fā)現(xiàn)或能讓我們重新認識強相互作用?！备吣芪锢韺W界又一次為之振奮。以清華大學工程物理系團隊為主的LHCb中國組成員功不可沒。

“新的研究利用了迄今為止LHCb探測器采集的所有數(shù)據(jù)，通過重新優(yōu)化的事例選擇條件，信號的接收效率又得到了顯著提高。這次實驗分析的數(shù)據(jù)有效統(tǒng)計量比2015年時幾乎增加了一個數(shù)量級，在低統(tǒng)計量時無法觀測到的細致結(jié)構(gòu)清晰地顯現(xiàn)出來，給予了人們新的驚喜?！毙掳l(fā)現(xiàn)的主要完成者張黎明平靜地回憶了此次研究過程。

張黎明言語不多，偌大的實驗室聽到的更多是機器的聲音。他把所有的心思和精力全部用在了高能物理領(lǐng)域，這里是他的激情世界。說起與五夸克態(tài)的淵源，張黎明將時間回溯到了1997年。“那年我參加高考，當時老師、父母和親戚都希望我去中國科學技術(shù)大學讀書，在那里安心做科研。原因是我從小比較沉默，總喜歡一個人琢磨新奇玩意兒”，張黎明說，“后來還真考到了中國科學技術(shù)大學，這樣順理成章就選擇了應(yīng)用物理專業(yè)。讀到大四的時候，要保研。我選擇了高能物理專業(yè)的碩博連讀，主要是被諾貝爾物理學獎所吸引。而且，中國科學技術(shù)大學的高能物理專業(yè)有很多國際合作項目，有機會接觸到國際最前沿的研究”。

就這樣，從1997年到2006年，張黎明師從張子平教授，在核與粒子物理專業(yè)深耕，拿到了學士、碩士和博士學位。在學期間，張黎明主攻量子場論、粒子物理、核物理和近代數(shù)學，為的是有堅實的理論基礎(chǔ)。同時，他還在射線探測技術(shù)，計算機在線獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，運用計算機進行理論研究等方面，積累了豐富的經(jīng)驗。2006年年底，張黎明到美國雪城大學從事博士后研究，加入了LHCb實驗組。8年時間，沉迷于粒子物理的重味物理、電荷宇稱對稱性破缺（CP破壞）和奇特態(tài)（Exotic states）尋找等領(lǐng)域。

17年求學生涯，為張黎明今后進行獨立的研究和探索打下了扎實的基礎(chǔ)。他實現(xiàn)了自己進入高能物理領(lǐng)域的夢。說起求學時的故事，觸動張黎明最深的是在日本高能研究所的Belle實驗?！澳菚r候還在讀博士，我的日本導師是一個非常勤奮的人，科研能力也很很強。他一般要工作到凌晨一兩點才睡覺，第二天七八點就又到工作室了。我每次發(fā)電子郵件，不論多晚，他總是即刻回復(fù)”，張黎明回憶道，“這樣的科研精神，讓我對科學研究有了新的認識。”在進入研究狀態(tài)后，張黎明還遇到了生活上的不適應(yīng)與科研無進展之間的瓶頸期，“由于生活上的一些不適應(yīng)，工作進展總是很慢。再加上研究項目有難度，我就很焦急。但是，老師鼓勵我不要灰心，按照自己的方法做下去。這樣的鼓勵，對于當時的我來說，就是茫茫大海中的燈塔。也因此，我才能夠心無旁騖地按照自己的想法去做實驗。后來，實驗成功了，成果還發(fā)表了論文。這個，對以后走科研道路是很大的鼓舞”。

2014年，張黎明回到清華大學，從事奇特強子態(tài)研究，為他解密夸克世界開始了一段新的旅程。

五夸克態(tài)，確實存在

2015年，清華大學聯(lián)手美國雪城大學和LHCb的其他單位，發(fā)現(xiàn)了兩個新的共振態(tài)Pc(4380)+和Pc(4450)+，并認為它們和五夸克態(tài)性質(zhì)相符。由于統(tǒng)計量不夠，實驗未唯一確定PC(4380）+和PC(4450)+的自旋宇稱量子數(shù)，只確定它們的自旋量子數(shù)一個是3/2和另一個是5/2，宇稱相反。2015年12月11日，英國物理學會旗下期刊《物理世界》公布了2015年度國際物理學領(lǐng)域的十項重大突破，發(fā)現(xiàn)兩個五夸克態(tài)的研究成果位列其中。12月18日，美國物理學會主編的《物理》雜志公布年度國際物理學領(lǐng)域八項重要成果，該項成果位列第二。作為LHCb國際合作組成員，張黎明在這項發(fā)現(xiàn)中做出了自己的貢獻。

20世紀五六十年代，實驗觀測到200多個強子，因此探索如此大數(shù)目強子可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并建立它們的“元素周期表”成為當時粒子物理學家思考的問題。1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格各自獨立提出了強子的夸克模型，認為質(zhì)子和中子不是基本粒子，而是由3個夸克組成的，并且提到可能存在奇特類型的粒子。

“夸克模型”理論創(chuàng)建初期，科學家們預(yù)言存在多夸克態(tài)。但是，當時沒有什么能證實夸克存在的物理證據(jù)，直到實驗出現(xiàn)了四夸克態(tài)候選者的直接證據(jù)：如北京譜儀和日本Belle實驗發(fā)現(xiàn)了Zc(3900)等帶電的奇特粒子，以及Belle發(fā)現(xiàn)和最終被LHCb實驗證實的Zc(4430)。

“傳統(tǒng)的夸克模型認為介子由1個夸克和1個反夸克組成，重子由3個夸克或3個反夸克組成。然而描述夸克之間強相互作用的理論卻給出了不同答案：除了這兩種組成方式外，或許還有以其他方式組成的奇特強子，如夸克膠子混雜態(tài)、強子分子態(tài)、多夸克態(tài)、膠子球等。然而這一理論卻一直沒有得到驗證”。2013年3月26日，Zc(3900) 被發(fā)現(xiàn)?？茖W家們認為，這可能就是他們長期尋找的一種奇特強子。Zc(3900) 的發(fā)現(xiàn)被美國物理學會主編的《物理》雜志評為2013年度國際物理學領(lǐng)域重要成果之一。當時，LHCb數(shù)據(jù)中有現(xiàn)象表明可能存在五夸克態(tài)。但是，很多專家不認為是五夸克態(tài)。

“在關(guān)于是不是五夸克態(tài)方面，科學家們是極其嚴謹?shù)摹?，張黎明回顧了當時的情形，“因為在2003年開始的幾年時間里，有多家實驗室聲稱找到了五夸克態(tài)，但是后來被證明是假的。這些實驗的事例較少，統(tǒng)計量有限。后來，美國的一個實驗提高了20倍的數(shù)據(jù)量，卻沒有發(fā)現(xiàn)之前的實驗現(xiàn)象，因此認為不是真的五夸克態(tài)。所以，在很長的一段時間內(nèi)，大家都懷疑是不是真的會存在五夸克態(tài)?！?/p>

張黎明所在的清華組沿著這一方向，做了進一步的研究，“通過檢查達利茲圖（Dalitz-plot）的兩維分布發(fā)現(xiàn)，五夸克橫穿整個達利茲圖，信號十分明顯。因此，在國際合作組里面，我們首次提出這可能是五夸克態(tài)。后面的實驗證明了五夸克態(tài)的存在。隨后，我們和美國雪城大學各自寫了一個程序，把需要的模型放進去，然后來描述數(shù)據(jù)。最后，我們發(fā)現(xiàn)如果不加入五夸克態(tài)的模型，是不能描述數(shù)據(jù)的。如果把五夸克態(tài)的模型加進去，才能描述數(shù)據(jù)”。

張黎明回憶：“分析的過程非常復(fù)雜，但結(jié)果令人興奮。正是全譜分析揭示出需要兩個五夸克態(tài)才能很好地描述實驗中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，我們把它們分別命名為Pc(4450)和Pc(4380)?！?/p>

有新發(fā)現(xiàn)的時刻，就是最幸福的時刻

發(fā)現(xiàn)Pc(4312)、Pc(4440)和Pc(4457)的時候，是張黎明和他的團隊最興奮的時刻，也是LHCb實驗在強子譜研究上最激動人心的時刻。然而，張黎明卻在思考另一個問題，“這三個五夸克態(tài)的寬度都很窄，質(zhì)量略低于粲重子和反粲介子質(zhì)量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態(tài)，但目前也不能排除有其他可能的解釋”。

這，預(yù)示著又一個新的開始。

為了深入研究五夸克態(tài)的性質(zhì)，使中國科學家在實現(xiàn)五夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)這一重大突破后，在新強子態(tài)研究方面領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先，張黎明和他的團隊開展了系統(tǒng)而深入的五夸克態(tài)性質(zhì)研究，主要是利用LHCb實驗在2019年停機升級前預(yù)期獲得的大統(tǒng)計量和高質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成4項關(guān)于五夸克態(tài)的實驗研究，包括95%置信度下的五夸克態(tài)的自旋宇稱量子數(shù)、尋找五夸克態(tài)其他的產(chǎn)生環(huán)境、尋找五夸克態(tài)新衰變模式等。其所用的研究方法是選取多體衰變，構(gòu)建包含已知共振態(tài)和新粒子作為中間態(tài)的概率模型，對衰變事例在末態(tài)相空間的分布進行最大似然擬合，尋找中間態(tài)新粒子的貢獻并確定其性質(zhì)。

LHCb是大型強子對撞機上的四個大型實驗之一，合作組由18個國家79家單位的1300余名物理學家組成。張黎明在研究之余還曾擔任LHCb物理工作組召集人，“當時的工作主要有三個方面，一是隨著數(shù)據(jù)采集量的不斷增加，看哪些研究可以開展。把這些研究設(shè)想?yún)R集起來，提供給新加入的成員；二是研究項目中有五六個工作組，采集數(shù)據(jù)的時候，會根據(jù)每個工作組的需要和優(yōu)先級，分配不同的帶寬采集數(shù)據(jù)。當分配方案對自己工作組不利時，積極爭取合理方案；三是組織每周的工作組會議、協(xié)調(diào)推進重要的物理分析和文章發(fā)表的工作?！睘榱送苿友芯扛玫亻_展，通宵達旦可謂家常便飯。幾乎每天，張黎明都要參加很多會議，與合作組成員一起討論問題、交流進展、協(xié)調(diào)分歧。除此之外，他還要頻繁往歐洲跑，處理遠程不易處理的事情，常常是周五還在清華園，周末已身在歐洲核子研究中心。常年累月，他的日程表幾乎都是以分鐘為單位來計算的。

在歐洲核子研究中心

有時候，張黎明也會感到研究是一項極其辛苦的工作，尤其是眼前一片黑暗的時候，“那時候，不知道路走得對不對，就意味著走錯了又要重來。但是，一旦有新發(fā)現(xiàn)，就會特別興奮和高興”。

能夠在科研的路上前行與堅持，張黎明特別提到了他的父親：“高中時的數(shù)學考試，有幾次沒考好，父親就幫助我分析原因。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)是馬虎造成的。父親當時很生氣。他使用了激將法，說我‘這些題目在初中的時候都會刷，到高中反而不會了，怎么考大學’，后來親自陪著我做題，強調(diào)反復(fù)論證的步驟和做完題目要仔細檢查的重要性。這樣的訓練，使我養(yǎng)成了認真的習慣和后來喜歡探究問題的科學素養(yǎng)?！?/p>

對于很多生活在柴米油鹽中的普通人來說，微觀粒子看不見摸不著，很多人不太容易理解他們對高能物理的熱愛與專注。張黎明也不習慣跟人解釋。因為在他看來，世界上最美的故事，就是在夸克世界的奇妙探索。他說：“科學研究可能在大部分情況下并沒有重大發(fā)現(xiàn)。激勵我們探索下去的因素就是之前出現(xiàn)的一些小問題，總想找到它的答案。當這個小問題能解決的時候，也會特別開心，然后接著做下去……”