四个，或者更多？

( 改造后的北京正负电子对撞机（2009年7月17日摄） )

物理学家应该是这个世界上最不循规蹈矩的一类人，大多数物理学家可能都随时准备接受新的物理理论，并且乐于放弃自己之前已经熟悉的物理理论体系，因为一切理论都需要以实验结果为依据，只有实验结果才能真正说服物理学家。尽管如此，有些实验的结果仍然会让物理学家们目瞪口呆，因为这与他们的经验和预期完全不符。

2013年6月17日，《物理评论快报》（PRL）杂志发表了两篇有关粒子物理学新发现的论文，这两篇论文总共涉及了上百家研究机构以及几百名作者。实际上，这两篇论文所讨论的分别是在日本筑波的高能加速器研究所的Belle合作项目和在北京的正反电子对撞机进行的BESⅢ合作项目中的两个基本相同的最新发现——一种可能是由四个夸克所组成的奇异亚原子粒子。

人类对于宇宙中物质的认识分有不同的层次，宏观上的物质实际上都是由极其微小的原子构成，而原子是由原子核和围绕原子核运动的电子构成。原子核内主要包含质子和中子两种基本粒子，而这两种基本粒子则都是由夸克构成。夸克是人类目前认识到的构成物质的最基本粒子，它们并不具有整数的电荷，一共分有三个层次共六种（上夸克，下夸克；奇夸克，粲夸克；顶夸克，底夸克），每一种夸克又都有其自身的反粒子。除了带有非整数的电荷之外，每一种夸克又可以具有三种不同的“味道”。夸克无法独立存在，它们必须与胶子结合在一起构成其他粒子，比如“介子”通常是由两个夸克结合构成，而“重子”则是由三个夸克结合而成。重子中最常见的带有一个正电荷的质子就是由两个带有2/3正电荷的“上夸克”和一个带有1/3负电荷的“下夸克”组成，而呈电中性的中子则是由一个“上夸克”和两个“下夸克”组成。除了质子和中子之外，不同种类的夸克粒子还可以通过其他的组合方式构成很多不同种类的重子。

研究不同种类和味道的夸克之间的强相互作用的理论被称为量子色动力学（QCD），目前物理学家可以用这个理论来预测不同夸克之间的相互作用和结合形式，但是因为在很多情况下量子色动力学的数学公式太过复杂，无法通过它来进行计算。尽管量子色动力学在理论上并没有禁止四个或者更多的夸克结合构成某种粒子，但是粒子物理学家们通常认为，夸克只能以两个或三个一组的方式结合构成亚原子粒子。

在日本高能加速器研究所进行的正反电子对撞实验中，物理学家们最开始的目的是要研究一种在2005年，由BABAR合作项目在美国斯坦福SLAC国家加速器实验室发现的，名为Y（4260）的一种奇异粒子。这种粒子的奇异之处就在于它似乎是由两个夸克和一个额外的胶子组合而成，因为这种奇怪的结构，粒子物理学家们一时难以把它归入人们所熟悉的亚原子粒子种类中。为了进一步研究Y（4260）粒子的性质，粒子物理学家们把正反电子加速到接近光速进行对撞。尽管对撞的能量只有欧洲核子中心的大型强子对撞机的1/100，但是这种速度的对撞仍然可以使正反电子的对撞达到Y（4260）粒子的能量，正反电子的动能在碰撞中转化为物质，从而产生大量的Y（4260）粒子和其他粒子，模拟宇宙大爆炸初期的场景。

( 位于日本筑波的高能加速器研究所 )

在对撞中产生的大量Y（4260）粒子会存在10-23秒，之后就会分裂成为其他形式的粒子。实际上Y（4260）算不上是这种奇异粒子的真正名称，只是因为物理学家们发现它的能量是4260兆电子伏，就暂时以此来指代这种奇异的粒子。在分析正反电子对撞之后的结果和Y（4260）粒子的衰变结果时，粒子物理学家们发现了一种更为奇特的粒子，这种粒子的质能大约相当于四个质子，约为3900兆电子伏——物理学家就暂时把它命名为ZC（3900）粒子。

ZC（3900）粒子最让粒子物理学家们感到难以相信的地方就在于它似乎是由四个夸克组成，如果可以得到确认，那么这将是人类发现的第一种由四个夸克结合而成的亚原子粒子，这种粒子的存在将会大大拓展人们关于夸克相互结合方式的认识和对于物质本质的认识。

在日本高能加速器研究所进行的正反电子对撞实验中，物理学家们观测到了160个ZC（3900）粒子存在的证据；随后，在北京的正反电子对撞机中进行的实验中也确认了此前的发现。进行了两个月实验和数据收集工作之后，在总共10万万亿次的正反电子对撞中，在北京正反电子对撞机工作的物理学家们总共观测到了307个ZC（3900）粒子存在的痕迹。众多的实验证据，使得ZC（3900）粒子存在的可能性变得相当高，目前只有1/350万的概率是ZC（3900）粒子并不存在。

虽然还需要其他实验室继续做实验对这个结果进行进一步验证，但是粒子物理学家们已经开始讨论ZC（3900）粒子的性质和它给粒子物理学带来的启示。对于这个最新发现的奇异粒子，粒子物理学家们持有两种观点，一种观点是这并不是一个此前从未发现过的奇异粒子，而是两个介子，以一种非常紧密的方式结合在了一起，形成了一种“分子”式的结构，而被人们误认为是一个奇异的粒子；另外一种观点则认为，这本身就是一个人们前所未见的非常奇异的粒子，它由四个夸克组成，目前可以比较肯定的是它包含一个粲夸克和一个反粲夸克，而且还有可能包含了一个上夸克和一个反下夸克，这四个夸克以一种人们目前还不了解的方式结合成为一个粒子。

ZC（3900）粒子如果真的存在，那么它可能带给物理学家们非常多的启示和机会。物理学家们之前只认识了两个和三个夸克结合在一起组成的粒子，并且很多粒子物理学家都以为夸克只能以这种方式相互结合，而这些粒子构成了我们所熟悉的物质世界。如果四个，或者更多个夸克可以结合在一起组成一个亚原子粒子，那么，这种粒子就可能构成目前人们所完全不了解的具有奇特性质的新型物质，这将进一步扩展人类对于物质的理解。另外，如果夸克可以四个或者更多一组的形式结合在一起，那么六种夸克加上它们的反粒子，物理学家们就需要计算可能的组合方式的数目，也就是说，还可能有大量的亚原子粒子等待粒子物理学家们去发现，这将开启一个粒子物理学领域的新天地。

目前科学家们所观测到的ZC（3900）粒子的生命并不长，不超过10-20秒，这种奇特的粒子因为极不稳定，即使存在也不会对我们认识宇宙有太大影响，但是在宇宙诞生之初，情况则可能完全不同。在宇宙大爆发之后很短的时间内，这种由四个夸克组成的亚原子粒子（或者由更多个夸克组成的粒子）很可能在数量上和由两个夸克组成的介子和由三个夸克组成的重子相当，在种种描述夸克间强相互作用的理论中，有一些理论就对此做出了预测，那么这个新发现可能使更多的粒子物理学家按照这些理论的预测，继续寻找由四个夸克组成的奇异粒子。

为了探索一种奇异粒子的性质，粒子物理学家们在无心之中却被引领到了自然的更深处，发现了一种更为奇异的粒子。无论ZC（3900）是一种四个夸克构成的亚原子粒子，还是两个介子紧密结合在一起组成的“分子”结构，这都是人类从未观察到的新奇现象，无法把它们归为任何一类已知的范畴中。粒子物理学家们现在需要做的，只是通过粒子对撞，产生更多的ZC（3900）粒子，研究它的性质和衰变方式，走进这扇自然界为人类新敞开的门。

（本文参考了《物理评论快报》和《自然》杂志的相关报道和论文）（文 / 苗千） 或者科学科普电子粒子物理学理论物理四个夸克