粒子世界的跋涉者
——記中山大學物理學院教授陳偉

李明麗

陳偉

本科畢業于蘭州大學，研究生畢業于北京大學，2012年至2017年在加拿大薩省大學從事博士后工作，讀書期間榮獲國家獎學金、北京大學方正獎學金、北京大學三好學生，連續4年獲蘭州大學基地班獎學金等，2017年入選中山大學“百人計劃二期”引進人才和中組部第十三批“青年千人計劃”；

以第一作者或通訊作者身份在Phys.Rept.、PRL、PPNP、JHEP、PRD等高水平雜志發表相關論文40多篇，總被引用次數1700多次，h-index為22。其中，6篇論文入選ESI高被引論文，兩篇論文入選E S I熱點論文，長篇綜述論文“The hidden-charm pentaquark and tetraquark states”（隱粲五夸克態和四夸克態）入選2016年中國百篇最具影響國際學術論文；

擔任Physical Review Letters、Physical Review D、Nuclear Physics B、The European Physical Journal C、The European Physical Journal A、Frontiers of Physics等期刊審稿人，獲歐洲物理雜志EPJ-2017 Distinguished Referee，Physics Letters B-Most Valued Reviewer for 2017和Chinese Physics C-Top Reviewer for 2018；

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他叫陳偉，中山大學物理學院教授，主要致力于強子結構和強子譜的研究工作，并長期關注新強子態的產生、衰變和質量譜等性質，其在隱粲四夸克態、五夸克態以及混雜態方面的理論研究受到國內外同行的關注。

選擇粒子物理，走入夸克世界

說起粒子世界，陳偉從宇宙開始講起。在他看來，他研究的是占宇宙總量4.6%的原子物質，宇宙其余部分還有24%的暗物質，以及71.4%的暗能量。暗能量具有“負引力效應”，是造成宇宙加速膨脹的重要原因。暗物質不吸收光也不發射光，無法通過電磁效應觀測到，只能根據它的引力效應進行實驗探測。僅占4.6%的部分是人類能夠觀測到的宇宙中的可見物質，比如，地球、太陽系、銀河系等，被稱為原子物質。這非常小的一部分，對生活在地球上的人們而言是非常重要的，它構成了人類世界的全部。

陳偉這樣描述這些原子物質的存在，“它們的核心是原子核，與核外電子一起構成原子，原子以一定的次序和空間排列可以結合成分子，然后構成宏觀物質。將這個過程反過來看，研究物質的微觀結構，從分子到原子、原子核，原子核里面又有核子，核子由夸克和膠子構成，這就到了‘粒子物理’的研究范疇。其中，把夸克和膠子束縛起來構成核子的力量，被稱為強相互作用力，研究強相互作用的理論是量子色動力學（QCD）”。

粒子物理中一個非常重要的模型，叫做夸克模型。它是一種根據強子內部價夸克組分來對強子進行分類的S U(3)理論，在1964年分別由默里·蓋爾曼和喬治·茨威格獨立提出。這個分類方案，成功地將20世紀60年代之前發現的大量的強子進行了妥當分組。夸克模型在60年代后期得到了實驗確認，至今仍是一套既正確又有效的分類法。幾乎是在同一時期，中國的理論物理學家也建立了一個類似于夸克模型的關于強子結構的理論，即層子模型。

中國在粒子物理實驗領域也扮演著重要角色。20世紀90年代以來，北京正負電子對撞機就是強子物理領域一個非常重要的實驗。它由長202米的直線加速器、輸運線、周長240米的儲存環、高6米和重500噸的北京譜儀和圍繞儲存環的同步輻射實驗裝置等幾部分組成。這是當時世界上唯一在τ輕子和粲粒子產生閾附近研究τ-粲物理的大型正負電子對撞實驗裝置，從BEPC到BEPCⅡ，一直在這個領域運行工作。這些理論和實驗上的科研環境增加了陳偉進入粒子世界的信心。

不過說起進入粒子物理的過程，陳偉還有一個插曲，“我在高中的時候就比較喜歡物理，然后高考的時候報考了蘭州大學物理系。在蘭大的4年時間里，它深厚的基礎物理研究傳統，對我產生了巨大的影響。當時，蘭大物理系的很多老先生如段一士先生、錢伯初先生等，在國內外的物理學界都很有名氣。我有幸上過這些老先生的課，他們是我之后從事基礎物理研究的領路人”。

提起在蘭州大學的學習生涯，陳偉說他在大學三年級的時候，最想學的是宇宙學。因此，他當時自學了一些宇宙學和天體物理方面的課程。到了大學四年級分專業的時候，他在理論物理、材料物理和凝聚態物理3個班級中，選擇了理論物理專業。在大四學習的過程中，他接觸到了場論，這是粒子物理學最核心的一門課程，他也因此對粒子物理產生了濃厚的興趣。后來讀研究生，他選擇的就是粒子物理方向。在北大深造期間，陳偉的博士研究課題是奇異強子態，他選擇在強子譜和強子結構這一領域潛心研究。

在最好的時間，遇見奇異的隱粲四夸克態和五夸克態

2007年，陳偉進入北京大學攻讀直博研究生學位。在北京大學從事研究的5年時間里，他的課題最初是從研究四夸克態入手的。所謂四夸克態，是由一個對夸克和一個反對夸克構成，它們通過夸克之間的顏色相互作用結合在一起，形成緊湊的束縛態。“四夸克態的質量譜、產生和衰變等性質，都是我的研究范圍”，陳偉說，“2003年以來，日本的Belle、美國的BaBar、歐洲核子中心的LHCb以及中國的BESIII等粒子物理實驗相繼發現了許多新粒子（XYZ粒子）。這些新粒子的許多性質不符合夸克模型對傳統強子態的預期，因此可以看成是超出夸克模型之外的新強子態候選者。所以，可以說我是趕上了這個領域最好的研究時機，這是當前粒子物理最前沿的研究領域之一”。

之后，為了研究類粲偶素四夸克態（含有一對正反粲夸克和一對正反輕夸克）和XYZ新粒子態的關系，陳偉和他的合作者使用QCD求和規則的方法系統地研究了類粲偶素四夸克態的完整質量譜。在這些質量譜中，有些道的質量很好地符合實驗上已經發現的新粒子態的質量。他們的計算結果支持X(3872)、Y(4660)、Y(4140)、X(4274)、Zc(3900)、Zc(4020)、Zc(4200)等這些新粒子作為四夸克態的理論解釋。為了進一步驗證對帶電的Zc粒子態的解釋，他們進一步研究了帶電四夸克態的衰變性質，發現它們的衰變行為也和預期相符合。

2015年，L H C b合作組報道了兩個帶電的隱粲五夸克態P c(4380)和Pc(4450)，它們都是在J/psi+p不變質量譜中發現的，所以都含有一對正反粲夸克和3個輕夸克。這是人類第一次發現并確認五夸克物質的存在，對進一步認識新物質形態具有重要意義，而如何理解這些五夸克粒子的內部結構就是首先需要解決的問題。

為了研究Pc(4380)和Pc(4450)的內在結構，陳偉和合作者使用了兩類不同的五夸克態構型。他們研究計算了這兩種體系的關聯函數，發現“粲偶素+核子”構型的兩點關聯函數中有些非微擾項消失，這是由此種構型中特殊的洛侖茲結構決定的，因此這類構型無法進行可靠的分析，也不能用來解釋Pc(4380)和Pc(4450)的內部結構。他們進一步研究了“粲介子+粲重子”構型，發現這種構型得到的兩點關聯函數具有完整的結構，可以很好地重建P c(4380)和Pc(4450)的質量，并對它們的自旋和宇稱量子數做了預測。陳偉和他的合作者還進一步完整地研究了其他不同構型和不同量子數的隱粲五夸克態，預測了它們的質量譜和量子數，這些結果對理解LHCb合作組最新發現的Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)粒子的性質非常有幫助。隨著這一能區實驗數據的進一步累積和理論分析的進展，相信人們對這些新型五夸克粒子的結構和性質的認識必將取得突破。

由于在新強子態物理領域的一系列有影響力的工作，陳偉及其合作者受到著名物理學期刊 Physics Reports邀請，撰寫一篇題為“The hidden-charm pentaquark and tetraquark states”的綜述論文。“這篇綜述詳細回顧和總結了2003年以來新強子態物理的實驗進展，基于類粲偶素四夸克態和五夸克態的一些重要理論工作詳細評述了這些新粒子的研究現狀，最后總結了這個領域有待解決的開放性研究課題。這篇綜述可能是相關領域內比較早的一篇廣受關注的綜述論文，當時我們4個人花了半年時間，基本上每天的工作就是閱讀和整理近千篇相關文獻，思考如何寫好這個文章”，陳偉回憶道。論文于2016年6月正式發表在Physics Reports上（Phys.R e p t. 639(2016)1-121），目前已被引用將近500次，入選為ESI高被引論文和熱點論文。同時，這篇論文也入選“2016年中國百篇最具影響國際學術論文”。2018年，陳偉和他的合作者又受到著名綜述期刊Progress in Particle and Nuclear Physics邀請，為其撰寫了一篇綜述論文，并于2019年7月發表（Prog.Part.Nucl.Phys. 107 (2019) 237-320）。

在最好的時間，相遇奇異的隱粲四夸克態和五夸克態；用一生最好的時光，潛心鉆研夸克世界，成為陳偉最幸福的事。回憶起在加拿大薩斯喀徹溫大學留學的時光，他說“人少氣候寒冷，是個做研究的好地方。生活簡單，每天基本就在辦公室做科研，下班之后去健身房，周末偶爾找朋友喝酒聚餐，節奏很穩定。4年時間，沒有其他事情打擾，為我打下了扎實的科研基礎”。

在本科生教學課堂上

回到祖國懷抱，在“混亂”的夸克界研究未來

選擇中山大學，吸引陳偉的是這里的生活環境和科研環境。“決定回國后，我接觸和考察過一些高校，這其中我很喜歡中山大學。廣州地處嶺南，氣候宜居，美食云集。在中山大學面試的時候，我覺得中大物理學院的氛圍也特別好。這里有非常年輕的科研和管理團隊，很多同事都年齡相仿，大家有相似的學習和研究經歷，溝通交流起來方便而舒暢。另外，廣東省對高能物理的支持力度是很大的，廣東有大亞灣中微子實驗、江門中微子實驗、散裂中子源實驗等，都是世界一流的大型實驗項目。”2017年，陳偉從加拿大回到了祖國的懷抱。

剛一到校，陳偉就著手組建研究團隊。目前，他的團隊已經有七八位研究人員，主要從事粒子物理唯象學方面的研究，研究方向是低能QCD非微擾效應和量子場論中非微擾方法，涉及近年來在LHCb、B-工廠、BESIII、CDF、D0等高能物理加速器實驗中發現的新型強子態。

陳偉說，“夸克模型中，介子由1對正反夸克組成，重子由3個夸克組成。除此之外，QCD允許存在更為復雜的強子構型，這些超出夸克模型的強子稱為奇異強子態，如雙重子態，四夸克態、五夸克態、分子態、混雜態、膠球等。研究這些新的奇異強子態構型，包括它們的能譜和產生及衰變機制，對解釋實驗上發現的新粒子是非常有幫助的，也對深入理解量子色動力學中強相互作用機制和低能QCD非微擾效應至關重要”。

目前，世界上許多大型粒子加速器實驗如LHCb、CMS、BelleII、BESIII、PANDA、GlueX等順利運行取數，給尋找這些奇異強子態帶來了前所未有的機會，同時也給理論研究帶來迫切的需求和挑戰。然而目前這一領域在實驗和理論研究上都很混亂，還存在許多有待解決的重要問題，如多夸克態（四夸克態，五夸克態等）是否存在的問題，膠子自由度（混雜態和膠球）的激發問題，如何理解這些奇異強子態的能譜和衰變性質等問題。

在陳偉看來，“混亂之處才是有發展潛力和發展機會的地方”。近年來，陳偉和他的研究團隊將研究重心放在“構建和理解這些新強子態和奇異強子態的內在結構以及它們的衰變行為”上，這一領域有大量的工作需要做進一步的理論研究。比如，隱粲五夸克態Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)的內在結構到底是什么，是松散的分子態、緊湊的五夸克態，還是由動力學效應產生？它們主要的衰變模式是什么？它們的伴隨粒子是否存在？陳偉堅信，隨著LHCb、BelleII、GlueX等實驗的進一步運行取數，更多的奇異五夸克態粒子在將來很可能會被觀測到，對它們各種性質的理論研究也將取得更大的突破。

回到祖國懷抱，陳偉將全部的精力投入“混亂”的夸克世界中，他將在這里研究未來的粒子物理以及粒子物理的未來。