解密夸克
——記清華大學高能物理學專家張黎明

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，他將自己的最新發現命名為“夸克（quark）”，意指一個質子中有3個夸克，質子并不是構成物質的最基本粒子。

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種更基本的粒子構成的，這樣它們的關鍵特性才能得到很好的解釋。他們的理論模型預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，來迅速地變成低質量的夸克。粒子衰變是一個從高質量的態變成低質量態的過程。上及下夸克一般來說比較穩定，它們在宇宙中較為常見，而奇、粲、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生并很快衰變。

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果向世人宣布——“五夸克態”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物質，確實存在奇特態物質”。

那么，夸克是如何組合在一起的？它的性質是什么？是否有新的五夸克態或衰變模式？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現一個新的五夸克態Pc(4312)，并觀測到2015年發現的五夸克結構Pc(4450)實際上是由兩個質量相近的共振態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現的主要完成者。

這是短短4年時間里，五夸克態的又一次重大發現。“此次發現或能讓我們重新認識強相互作用。”高能物理學界又一次為之振奮。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據，通過重新優化的事例選擇條件，信號的接收效率又得到了顯著提高。這次實驗分析的數據有效統計量比2015年時幾乎增加了一個數量級，在低統計量時無法觀測到的細致結構清晰地顯現出來，給予了人們新的驚喜。”新發現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域，這里是他的激情世界。說起與五夸克態的淵源，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大學，這樣順理成章就選擇了應用物理專業。讀到大四的時候，要保研。我選擇了高能物理專業的碩博連讀，主要是被諾貝爾物理學獎所吸引。而且，中國科學技術大學的高能物理專業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、核物理和近代數學，為的是有堅實的理論基礎。同時，他還在射線探測技術，計算機在線獲取數據、分析數據，運用計算機進行理論研究等方面，積累了豐富的經驗。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（Exotic states）尋找等領域。

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。他實現了自己進入高能物理領域的夢。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。“那時候還在讀博士，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。我每次發電子郵件，不論多晚，他總是即刻回復”，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。”在進入研究狀態后，張黎明還遇到了生活上的不適應與科研無進展之間的瓶頸期，“由于生活上的一些不適應，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，從事奇特強子態研究，為他解密夸克世界開始了一段新的旅程。

五夸克態，確實存在

2015年，清華大學聯手美國雪城大學和LHCb的其他單位，發現了兩個新的共振態Pc(4380)+和Pc(4450)+，并認為它們和五夸克態性質相符。由于統計量不夠，實驗未唯一確定PC(4380）+和PC(4450)+的自旋宇稱量子數，只確定它們的自旋量子數一個是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年度國際物理學領域的十項重大突破，發現兩個五夸克態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，張黎明在這項發現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，因此探索如此大數目強子可能的內部結構并建立它們的“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”理論創建初期，科學家們預言存在多夸克態。但是，當時沒有什么能證實夸克存在的物理證據，直到實驗出現了四夸克態候選者的直接證據：如北京譜儀和日本Belle實驗發現了Zc(3900)等帶電的奇特粒子，以及Belle發現和最終被LHCb實驗證實的Zc(4430)。

“傳統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、強子分子態、多夸克態、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) 被發現。科學家們認為，這可能就是他們長期尋找的一種奇特強子。Zc(3900) 的發現被美國物理學會主編的《物理》雜志評為2013年度國際物理學領域重要成果之一。當時，LHCb數據中有現象表明可能存在五夸克態。但是，很多專家不認為是五夸克態。

“在關于是不是五夸克態方面，科學家們是極其嚴謹的”，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，但是后來被證明是假的。這些實驗的事例較少，統計量有限。后來，美國的一個實驗提高了20倍的數據量，卻沒有發現之前的實驗現象，因此認為不是真的五夸克態。所以，在很長的一段時間內，大家都懷疑是不是真的會存在五夸克態。”

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）的兩維分布發現，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。后面的實驗證明了五夸克態的存在。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，然后來描述數據。最后，我們發現如果不加入五夸克態的模型，是不能描述數據的。如果把五夸克態的模型加進去，才能描述數據”。

張黎明回憶：“分析的過程非常復雜，但結果令人興奮。正是全譜分析揭示出需要兩個五夸克態才能很好地描述實驗中發現的效應，我們把它們分別命名為Pc(4450)和Pc(4380)。”

有新發現的時刻，就是最幸福的時刻

發現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，“這三個五夸克態的寬度都很窄，質量略低于粲重子和反粲介子質量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態，但目前也不能排除有其他可能的解釋”。

這，預示著又一個新的開始。

為了深入研究五夸克態的性質，使中國科學家在實現五夸克態的發現這一重大突破后，在新強子態研究方面領域繼續保持領先，張黎明和他的團隊開展了系統而深入的五夸克態性質研究，主要是利用LHCb實驗在2019年停機升級前預期獲得的大統計量和高質量數據，完成4項關于五夸克態的實驗研究，包括95%置信度下的五夸克態的自旋宇稱量子數、尋找五夸克態其他的產生環境、尋找五夸克態新衰變模式等。其所用的研究方法是選取多體衰變，構建包含已知共振態和新粒子作為中間態的概率模型，對衰變事例在末態相空間的分布進行最大似然擬合，尋找中間態新粒子的貢獻并確定其性質。

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，一是隨著數據采集量的不斷增加，看哪些研究可以開展。把這些研究設想匯集起來，提供給新加入的成員；二是研究項目中有五六個工作組，采集數據的時候，會根據每個工作組的需要和優先級，分配不同的帶寬采集數據。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、協調推進重要的物理分析和文章發表的工作。”為了推動研究更好地開展，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、協調分歧。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，一旦有新發現，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：“高中時的數學考試，有幾次沒考好，父親就幫助我分析原因。結果，發現是馬虎造成的。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，強調反復論證的步驟和做完題目要仔細檢查的重要性。這樣的訓練，使我養成了認真的習慣和后來喜歡探究問題的科學素養。”

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現。激勵我們探索下去的因素就是之前出現的一些小問題，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……”