隨著2012年希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，粒子物理標準模型理論完美收官。標準模型涵蓋對所有已知的亞原子粒子及其相互作用的描述。如今，大部分高能物理領(lǐng)域的研究者將其興趣集中在了對標準模型之外“新物理學”的實驗搜索上，然而認為標準模型已經(jīng)被徹底理解卻是錯誤的。許多已知粒子間的相互作用和結(jié)合方式仍不清楚，特別是在能量高至足以產(chǎn)生最奇特的粒子家族成員時仍然存在問題，例如在產(chǎn)生夸克(組成強子的六種成分，強子包括普通原子核中的質(zhì)子和中子)和輕子(包括電子在內(nèi)的一族粒子)的大質(zhì)量種類時。
運行在中國科學院高能物理研究所內(nèi)的北京正負電子對撞機(BEPC)是探索這些問題的裝置之一。它于1988年開始運行，其上配備的探測器稱為北京譜儀(BES) 。該站點還設有北京同步輻射裝置，提供高強度X射線進行凝聚態(tài)物理研究。2008年它們升級成為新一代裝置：BESIII 探測器和BEPCII 加速器，并持續(xù)運行至今。目前，該設施是研究新型奇特強子態(tài)——尤其是包含粲夸克的強子態(tài)——性質(zhì)和行為的主要國際中心之一。
意大利物理學家盧西亞諾·馬亞尼(Luciano Maiani)在1999至2003年擔任歐洲核子研究中心CERN主任，是高能物理領(lǐng)域的世界級專家之一，曾在粲夸克的發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了核心作用。近期，《國家科學評論》(National Science Review, NSR)就BEPCII最新研究工作的意義以及未來發(fā)現(xiàn)的前景對他進行了采訪。
NSR：跟之前的裝置相比，BEPCII和BESIII在能量區(qū)間、束流強度、探測靈敏度等方面有哪些提升?
Maiani：BEPCII屬于一類特殊的粒子加速器——對撞環(huán)。這類裝置最初是在1960年代由奧地利物理學家布魯諾·圖舍克(Bruno Touschek)在意大利實現(xiàn)的。在這臺機器中，兩束粒子，也就是一束電子(e-)和一束正電子(e+，電子的反粒子)，在極端真空下被加速并保持在兩個圓形軌道上。在軌道相交的地方，電子和正電子對頭碰撞。在少數(shù)情況下，電子和正電子靠得如此之近，以至于它們會彼此湮滅，繼而產(chǎn)生大量的亞原子粒子，于是就可以通過適當?shù)牧Ｗ犹綔y器進行研究。BESIII就是這樣一種探測器，它測量湮滅事件中產(chǎn)生粒子的能量、飛行方向、電荷和其它物理特性，從而確定它們的性質(zhì)和它們之間的關(guān)聯(lián)。對撞環(huán)的特征包括束流能量和亮度，前者決定能產(chǎn)生的粒子的最大質(zhì)量，后者與束流中粒子的密度有關(guān)，決定對撞發(fā)生的頻率。
BEPC可以產(chǎn)生含有一對正反粲夸克的粒子，例如伯頓·里克特(Burton Richter)和丁肇中發(fā)現(xiàn)的J/ψ介子(這使他們獲得了1976年的諾貝爾獎)。粒子探測器的性能取決于其測量粒子能量的精度，也就是“能量分辨率”，以及它們檢測中性粒子(如光子)的能力，其中對中性粒子的探測在鑒別正負電子湮滅產(chǎn)生的新粒子中非常重要。BEPCII和BESIII這兩個裝置名稱中，II和III即表示相較于最初的設計，BEPC的亮度以及BES的能量分辨率和中性粒子探測能力都逐步提高。
NSR：請您簡要說明一下BESIII 是如何工作的。
Maiani：正負電子對湮滅會產(chǎn)生一個不穩(wěn)定的粒子，稱為“共振態(tài)”，它表現(xiàn)為在以能量為變量，發(fā)生湮滅的概率分布(即“譜”)上的一個鼓包，其寬度與粒子的壽命成反比。(根據(jù)海森堡的不確定性原理，能量的不確定性與粒子的壽命成反比)。通過這種方式，我們可以測定數(shù)量級在10−20到10−23秒的粒子的壽命，這個時間尺度是我們的直接測量方法所永遠無法達到的。1970年代，加利福尼亞州斯坦福市的SLAC對撞機就是用這樣的方式，首次觀察到了J/ψ粒子和許多其它粲夸克-反粲夸克束縛態(tài)。
除共振態(tài)之外，許多其它粒子也會在湮滅中產(chǎn)生。共振態(tài)衰變產(chǎn)生的末態(tài)粒子中的其中幾個本身也可能來自一個不穩(wěn)定粒子的衰變。為了鑒別這個母粒子，我們需要繪制這幾個末態(tài)粒子總質(zhì)量的分布圖。該分布中的一個鼓包以及相應的寬度就給出了母粒子的質(zhì)量和壽命。通過這種方式，BESIII發(fā)現(xiàn)了命名為Zc(3900) 和Zc(4020)的共振態(tài)，這里括號中的數(shù)字表示以兆電子伏(MeV)為單位的質(zhì)量。與J/ψ不同，這兩個共振態(tài)是帶電的，這一事實意味著，它們由一對正反粲夸克加上一對較輕的夸克組成。這些Zc共振態(tài)的亞核粒子組分中，包含至少兩對夸克-反夸克，比如
是由一對
和一對
組成的。它們是最早被發(fā)現(xiàn)的此類粒子之一。NSR：世界上還有其它與BESIII運行方式類似的裝置嗎?與其它裝置，比如歐洲核子研究中心的探測器相比，BESIII的探測能力怎么樣?
Maiani：BESIII所研究的粒子屬于由一對粲夸克(稱為粲偶素) 加上其它成分組成的粒子。這類粒子被稱為隱粲粒子，因為它們的凈粲量子數(shù)為零，即粲夸克和反粲夸克的數(shù)量正好“抵消”。在像歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC) 這樣的高能強子對撞機中，隱粲粒子也可以產(chǎn)生——但它們總是在具有大量其它粒子背景的事例中出現(xiàn)，因此很難看到這些共振態(tài)。低本底是BEPCII等正負電子對撞機的一個關(guān)鍵特征。
在此類設施(稱為陶粲工廠)中，BEPCII目前擁有世界上最高的亮度。此外，俄羅斯新西伯利亞Budker研究所的VEPP2000對撞機亮度較低，它正計劃在未來幾年進行大幅升級。位于日本筑波市高能加速器研究機構(gòu)(KEK)的B介子工廠的Belle探測器工作在更高能量下，它可以選擇初始粒子之一(電子或正電子)輻射光子失去能量，從而使正負電子湮滅的質(zhì)心能量進入陶粲能區(qū)的事例，以此研究隱粲粒子。Belle和LHCb兩個實驗組都取得了關(guān)于奇特強子態(tài)的有價值的成果。但就亮度和分辨率而言，BEPCII和BESIII穩(wěn)居全球隱粲粒子研究的前沿。
檢驗夸克間相互作用的理論
NSR：人們已經(jīng)建立起了一套完整的理論——量子色動力學(QCD)——從而根據(jù)輕夸克和膠子間的相互作用來描述“輕”強子的特性。但是在這個理論中似乎仍有疑難，這其中的關(guān)鍵問題是什么?
Maiani：QCD已經(jīng)在質(zhì)子對高能電子的大角度散射(深度非彈性散射)等現(xiàn)象中進行了檢驗。在這些條件下，主導QCD相互作用的耦合系數(shù)很小——這種特性被稱為漸近自由，其發(fā)現(xiàn)使戴維·格羅斯(David Gross)、戴維·普利策(David Politzer)和弗蘭克·維爾澤克(Franck Wilczek)獲得了2004年的諾貝爾獎。在這些條件下，可以與量子電動力學(描述物質(zhì)-光相互作用的量子理論)非常類似地處理相互作用，理論可以令人滿意地描述實驗結(jié)果。但是夸克結(jié)合成重子和介子(強子)的機制屬于QCD作用機制中相互作用非常強的那部分，此時如何在基本理論與夸克結(jié)合方式的細節(jié)之間建立聯(lián)系尚未明確。這使得對強子譜的研究變得極其有趣，因為這些實驗可以為我們提供有關(guān)如何建立束縛態(tài)中，特別是與最簡單的態(tài)(也即粲偶素)相比，多夸克介子(例如共振態(tài))中夸克結(jié)合的主要作用力的線索。因此，多夸克態(tài)譜學是量子色動力學中一個新的、很大程度上尚未探索的前沿。
NSR：在低能輕強子體系中，似乎也預測了一些奇特的粒子和態(tài)，比如“膠球”。這些又是什么，為什么它們也很重要?
Maiani：在QCD中，強相互作用由膠子傳遞。膠子是一種自旋為1的無質(zhì)量粒子，它在許多方面類似于傳遞電磁力的光子，然而膠子之間還能夠產(chǎn)生強烈的相互作用。因此人們設想，可能存在僅由膠子組成的束縛態(tài)，稱為“膠球”，它在所有可能的基本粒子對稱性下都是中性的。從理論上講，很難將膠球與具有“單態(tài)”構(gòu)型的夸克-反夸克態(tài)區(qū)分開來，在這種態(tài)中，夸克的排列使得所有可能的與對稱性相關(guān)的量子數(shù)也呈現(xiàn)中性。目前，在極少數(shù)的幾種情形下，觀測到的單態(tài)粒子要比夸克模型預測的更多——這些粒子被認為是難以捉摸的膠球的候選者。
NSR：BESIII的主要目標之一似乎是探索重夸克(如粲夸克)相關(guān)的物理，而您在發(fā)現(xiàn)粲夸克的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。您能向我們講講這件事的經(jīng)過嗎?
Maiani：如果強子就像默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)和喬治·茨威格(George Zweig)在1963年最初提出的那樣，僅由三種夸克類型(上夸克、下夸克和奇異夸克)組成，這意味著由特定玻色子為中介，弱相互作用將誘導所謂卡比博躍遷的發(fā)生，其中u夸克通過弱相互作用粒子W−與d和s夸克的特定組合相互轉(zhuǎn)換，這種機制是尼古拉·卡比博(Nicola Cabibbo)提出的。1968年，人們的注意力集中在了所謂的“中性流過程”上，這種過程在弱相互作用的第一階近似中是被禁止的，但可以通過在理論中加入“修正”效應來產(chǎn)生，其振幅原則上可以無限增加。1970年，謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)、約翰·伊利奧普洛斯(John Iliopoulos)和我(按照姓氏首字母，三人合稱為GIM)提出這些過程可能涉及第四種夸克，稱為“粲”(c)。(這種夸克之前被其他人出于完全不同的理由提出過。)這個想法將一個三夸克理論中的難題變成了一種估算第四種夸克質(zhì)量的方法。
在理論預測中粲夸克的質(zhì)量足夠大，因而可以解釋1960年代對包含粲夸克的介子的尋找為何沒有成功。GIM機制是邁向電磁和弱相互作用統(tǒng)一理論的重要一步，它使得強子(受強相互作用控制)也能被包括在這一理論框架內(nèi)。1974年J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)證實了粲夸克的存在。
粲偶素的世界
NSR：在粲物理中，“粲偶素”這一概念似乎占有中心地位。什么是粲偶素?
Maiani：基于電弱理論對GIM機制所提出的中性流過程進行計算，結(jié)果確認了粲夸克具有大的質(zhì)量：Mc ≈ 1.8 GeV。隨著QCD的出現(xiàn)，粲夸克的大質(zhì)量展現(xiàn)出了新的理論意義。眾所周知，電子-正電子對可以形成被稱為“電子偶素”的束縛態(tài)。1974年，托馬斯·阿佩爾奎斯特(Thomas Appelquist)和戴維·普利策研究了由QCD力束縛的正反粲夸克對形成的類似態(tài)，并將其稱之為“粲偶素”。這個想法被謝爾登·格拉肖、阿爾瓦羅·德·魯茹拉(Alvaro de Rujula)和霍華德·喬治(Howard Georgi)用以解釋此前剛剛發(fā)現(xiàn)的J/ψ為什么非常之窄，這意味著該粒子可能是人們發(fā)現(xiàn)的第一個粲夸克構(gòu)型(以隱粲的形式)。在接下來的幾年里，許多研究者對繼J/ψ之后，在正負電子對撞機中發(fā)現(xiàn)的眾多粲偶素進行了精確的定量計算。此后，正反底夸克對共振態(tài)的發(fā)現(xiàn)，又在更高質(zhì)量上重現(xiàn)了這種成功。
NSR：這一系列與粲夸克相關(guān)的可能存在的粒子、共振態(tài)和它們之間的躍遷實在讓人眼花繚亂，您能否指出一些關(guān)鍵的問題，引導我們游覽這一粲粒子“動物園”?
Maiani：重夸克對很難被QCD力產(chǎn)生或摧毀。奇特強子態(tài)的第一個例子是一些共振態(tài)，其衰變產(chǎn)物包含一個粲偶素(即一對粲夸克)，但這些共振態(tài)不在QCD精確計算得出的粲偶素譜上。這種共振被稱為“出乎意料的粲偶素”，并暫時分類為X、Y和Z態(tài)。2003年，日本的Belle實驗組發(fā)現(xiàn)了第一個出乎意料的粲偶素X(3872);這種態(tài)衰變成J/ψ和π介子。然而，X(3872)不可能是粲偶素，因為它的質(zhì)量不符合預測，并且它的π介子衰變不遵循純粲偶素所遵循的規(guī)則。第二個出乎意料的粲偶素Y(4260)是由美國SLAC的BaBar實驗發(fā)現(xiàn)的，其質(zhì)量也不符合粲偶素譜預期。2007年，第一個帶電的出乎意料的粲偶素Z(4430)由Belle實驗找到，但同時BaBar 實驗的結(jié)果給這一共振態(tài)是否真正存在打上問號。2014年，歐洲核子研究中心的LHCb實驗在更高的統(tǒng)計量下確認了Z(4430)是一個真正的共振態(tài)。
2013年，BESIII在末態(tài)含粲偶素的過程中發(fā)現(xiàn)了另外兩種帶電共振態(tài)Zc(3900)(衰變?yōu)?pi;介子和J/ψ)和Zc(4020)(衰變?yōu)?pi;介子和另一種與J/ψ具有相同自旋但相反宇稱的粲偶素，表示為hc)。在過去的10年中，BESIII在對Y態(tài)的研究上產(chǎn)出了豐富的成果，并發(fā)現(xiàn)了X(3872)、Y (4260)和Zc(3900)態(tài)之間的相似性。即便如此，關(guān)于在X、Y和Z共振態(tài)中夸克如何組織還沒有達成共識。一種可能是“緊致的四夸克態(tài)”，其中一對夸克[cq]通過QCD力與一對反夸克
結(jié)合，就像一個粲夸克和一個反粲夸克結(jié)合成介子那樣。通過更高的統(tǒng)計量和分辨率，BESIII可能有助于區(qū)分此模型和其它模型。
對新物理的尋找
NSR：在BESIII發(fā)現(xiàn)新物理(也就是說，超出標準模型的物理)的前景如何?你能推測一下它可能會發(fā)現(xiàn)什么嗎?例如，是否可能揭示暗物質(zhì)，或者宇宙中物質(zhì)和反物質(zhì)數(shù)量不對稱的起源?
Maiani：關(guān)于暗物質(zhì)，一個有吸引力的設想是暗物質(zhì)由不與標準模型中的力耦合的新粒子組成。可能會存在一種新的光子，稱為“暗光子”，對它而言，所有已知粒子所攜帶的“電荷”為零(意味著它們不與其相互作用)。但是由于量子力學效應，這個暗光子可以在很短的時間內(nèi)表現(xiàn)的像普通光子一樣，從而與電子、繆子(μ)等發(fā)生小的耦合。這意味著正負電子對撞機產(chǎn)生的一小部分粒子可能是暗光子，它們會在一些測量結(jié)果中，比如末態(tài)正負電子對的質(zhì)量譜中，產(chǎn)生異常信號。以前的低能量對撞機對暗光子的耦合強度和質(zhì)量設置了限制。BESIII可以大大擴展探索這種耦合的范圍，甚至可能發(fā)現(xiàn)暗光子的信號。
物質(zhì)/反物質(zhì)對稱性在基本相互作用和大尺度宇宙中都被破壞——例如，太陽是由物質(zhì)構(gòu)成的，但是沒有證據(jù)表明存在由反物質(zhì)構(gòu)成的反恒星或反星系。我們不知道這兩種不對稱是否相關(guān)，或者是否可以用前者來解釋后者。BESIII可以通過測量粲介子弱衰變中的物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱性，將粲衰變中的不對稱性與奇異介子和底介子中已知的不對稱性進行比較，來闡明這個基本問題。目前，這個領(lǐng)域尚有很大的探索空間。
挑戰(zhàn)時代下的合作組
NSR：盡管中方成員占主導地位，BESIII顯然是一個高度國際化的合作組。作為歐洲核子研究中心的前任主任，您無疑非常清楚維護如此龐大的項目所面臨的挑戰(zhàn)。這其中會有怎樣的挑戰(zhàn)?在新冠流行、國際旅行充滿不確定性的時期，這些問題是否變得更加復雜?
Maiani：在召集和運行國際合作的復雜實驗方面，中國科學院高能物理研究所有著非常好的記錄。BESIII實驗的規(guī)模與CERN相比較小，但是它們的運行規(guī)則是相同的。就像CERN一樣，新冠肺炎給線下合作帶來了困難。但在目前，即便外方團隊的工作地點被限制在各國境內(nèi)，他們?nèi)匀豢梢栽谝欢ǔ潭壬献龀鲐暙I，例如數(shù)據(jù)分析、設備性能模擬等。如果能像現(xiàn)在的CERN一樣，哪怕只是部分的恢復國際旅行，也會有很大幫助。
NSR：與美國、歐洲和日本相比，中國在這一領(lǐng)域的研究有什么不同(如果有的話)?每個地區(qū)是否都有自己獨特的“口味”?
Maiani：在過去的四年里，我大部分時間都在北京(高能物理研究所)和上海(上海交通大學)工作。除了生活方式、食物等方面的明顯(有時是令人興奮的)差異之外，我發(fā)現(xiàn)在研究領(lǐng)域、方法和靈感來源方面，科學是具有共通性的。
NSR：研究人員，尤其是年輕的研究者，如何能在具有如此龐大團隊的項目中展現(xiàn)自己?人們是否需要一種不同的精神，將科學成果視為團隊無私合作的產(chǎn)物，而不是像許多其它領(lǐng)域一樣，采取個人主義的方法?
Maiani：人們必須將BESIII 等大型合作組視為自己的“實驗室”，它為小團隊提供不同領(lǐng)域的研究條件(儀器、精密測量、數(shù)據(jù)分析、唯象學等)。在每個團隊中，個人的才能、技能和獨創(chuàng)性都可以大放異彩并受到贊賞。年輕的博士后可以向資深研究員展示解決當前問題的方法。通過這種方式，就像過去一樣，一個年輕人可以獲得聲譽，讓她或他在“實驗室”內(nèi)外承擔更大的責任。法比奧拉·賈諾蒂(Fabiola Gianotti)和王貽芳就是通過這樣的途徑，分別成為了CERN和高能物理研究所的主任。
