粒子世界的跋涉者
——記中山大學(xué)物理學(xué)院教授陳偉

李明麗

陳偉

本科畢業(yè)于蘭州大學(xué)，研究生畢業(yè)于北京大學(xué)，2012年至2017年在加拿大薩省大學(xué)從事博士后工作，讀書期間榮獲國家獎學(xué)金、北京大學(xué)方正獎學(xué)金、北京大學(xué)三好學(xué)生，連續(xù)4年獲蘭州大學(xué)基地班獎學(xué)金等，2017年入選中山大學(xué)“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(fā)表相關(guān)論文40多篇，總被引用次數(shù)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(tài)和四夸克態(tài)）入選2016年中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文；

擔(dān)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；

…………

他叫陳偉，中山大學(xué)物理學(xué)院教授，主要致力于強子結(jié)構(gòu)和強子譜的研究工作，并長期關(guān)注新強子態(tài)的產(chǎn)生、衰變和質(zhì)量譜等性質(zhì)，其在隱粲四夸克態(tài)、五夸克態(tài)以及混雜態(tài)方面的理論研究受到國內(nèi)外同行的關(guān)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(zhì)，宇宙其余部分還有24%的暗物質(zhì)，以及71.4%的暗能量。暗能量具有“負引力效應(yīng)”，是造成宇宙加速膨脹的重要原因。暗物質(zhì)不吸收光也不發(fā)射光，無法通過電磁效應(yīng)觀測到，只能根據(jù)它的引力效應(yīng)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(zhì)，比如，地球、太陽系、銀河系等，被稱為原子物質(zhì)。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(gòu)成了人類世界的全部。

陳偉這樣描述這些原子物質(zhì)的存在，“它們的核心是原子核，與核外電子一起構(gòu)成原子，原子以一定的次序和空間排列可以結(jié)合成分子，然后構(gòu)成宏觀物質(zhì)。將這個過程反過來看，研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)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(xué)（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(jù)強子內(nèi)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(fā)現(xiàn)的大量的強子進行了妥當(dāng)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(xué)家也建立了一個類似于夸克模型的關(guān)于強子結(jié)構(gòu)的理論，即層子模型。

中國在粒子物理實驗領(lǐng)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(lǐng)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(huán)、高6米和重500噸的北京譜儀和圍繞儲存環(huán)的同步輻射實驗裝置等幾部分組成。這是當(dāng)時世界上唯一在τ輕子和粲粒子產(chǎn)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(lǐng)域運行工作。這些理論和實驗上的科研環(huán)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(xué)物理系。在蘭大的4年時間里，它深厚的基礎(chǔ)物理研究傳統(tǒng)，對我產(chǎn)生了巨大的影響。當(dāng)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(nèi)外的物理學(xué)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(chǔ)物理研究的領(lǐng)路人”。

提起在蘭州大學(xué)的學(xué)習(xí)生涯，陳偉說他在大學(xué)三年級的時候，最想學(xué)的是宇宙學(xué)。因此，他當(dāng)時自學(xué)了一些宇宙學(xué)和天體物理方面的課程。到了大學(xué)四年級分專業(yè)的時候，他在理論物理、材料物理和凝聚態(tài)物理3個班級中，選擇了理論物理專業(yè)。在大四學(xué)習(xí)的過程中，他接觸到了場論，這是粒子物理學(xué)最核心的一門課程，他也因此對粒子物理產(chǎn)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(tài)，他選擇在強子譜和強子結(jié)構(gòu)這一領(lǐng)域潛心研究。

在最好的時間，遇見奇異的隱粲四夸克態(tài)和五夸克態(tài)

2007年，陳偉進入北京大學(xué)攻讀直博研究生學(xué)位。在北京大學(xué)從事研究的5年時間里，他的課題最初是從研究四夸克態(tài)入手的。所謂四夸克態(tài)，是由一個對夸克和一個反對夸克構(gòu)成，它們通過夸克之間的顏色相互作用結(jié)合在一起，形成緊湊的束縛態(tài)?！八目淇藨B(tài)的質(zhì)量譜、產(chǎn)生和衰變等性質(zhì)，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(fā)現(xiàn)了許多新粒子（XYZ粒子）。這些新粒子的許多性質(zhì)不符合夸克模型對傳統(tǒng)強子態(tài)的預(yù)期，因此可以看成是超出夸克模型之外的新強子態(tài)候選者。所以，可以說我是趕上了這個領(lǐng)域最好的研究時機，這是當(dāng)前粒子物理最前沿的研究領(lǐng)域之一”。

之后，為了研究類粲偶素四夸克態(tài)（含有一對正反粲夸克和一對正反輕夸克）和XYZ新粒子態(tài)的關(guān)系，陳偉和他的合作者使用QCD求和規(guī)則的方法系統(tǒng)地研究了類粲偶素四夸克態(tài)的完整質(zhì)量譜。在這些質(zhì)量譜中，有些道的質(zhì)量很好地符合實驗上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的新粒子態(tài)的質(zhì)量。他們的計算結(jié)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(tài)的理論解釋。為了進一步驗證對帶電的Zc粒子態(tài)的解釋，他們進一步研究了帶電四夸克態(tài)的衰變性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們的衰變行為也和預(yù)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(tài)P c(4380)和Pc(4450)，它們都是在J/psi+p不變質(zhì)量譜中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)并確認五夸克物質(zhì)的存在，對進一步認識新物質(zhì)形態(tài)具有重要意義，而如何理解這些五夸克粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是首先需要解決的問題。

為了研究Pc(4380)和Pc(4450)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，陳偉和合作者使用了兩類不同的五夸克態(tài)構(gòu)型。他們研究計算了這兩種體系的關(guān)聯(lián)函數(shù)，發(fā)現(xiàn)“粲偶素+核子”構(gòu)型的兩點關(guān)聯(lián)函數(shù)中有些非微擾項消失，這是由此種構(gòu)型中特殊的洛侖茲結(jié)構(gòu)決定的，因此這類構(gòu)型無法進行可靠的分析，也不能用來解釋Pc(4380)和Pc(4450)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他們進一步研究了“粲介子+粲重子”構(gòu)型，發(fā)現(xiàn)這種構(gòu)型得到的兩點關(guān)聯(lián)函數(shù)具有完整的結(jié)構(gòu)，可以很好地重建P c(4380)和Pc(4450)的質(zhì)量，并對它們的自旋和宇稱量子數(shù)做了預(yù)測。陳偉和他的合作者還進一步完整地研究了其他不同構(gòu)型和不同量子數(shù)的隱粲五夸克態(tài)，預(yù)測了它們的質(zhì)量譜和量子數(shù)，這些結(jié)果對理解LHCb合作組最新發(fā)現(xiàn)的Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)粒子的性質(zhì)非常有幫助。隨著這一能區(qū)實驗數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)和性質(zhì)的認識必將取得突破。

由于在新強子態(tài)物理領(lǐng)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(xué)期刊 Physics Reports邀請，撰寫一篇題為“The hidden-charm pentaquark and tetraquark states”的綜述論文?！斑@篇綜述詳細回顧和總結(jié)了2003年以來新強子態(tài)物理的實驗進展，基于類粲偶素四夸克態(tài)和五夸克態(tài)的一些重要理論工作詳細評述了這些新粒子的研究現(xiàn)狀，最后總結(jié)了這個領(lǐng)域有待解決的開放性研究課題。這篇綜述可能是相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)比較早的一篇廣受關(guān)注的綜述論文，當(dāng)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(guān)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(fā)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(xué)術(shù)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(fā)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(tài)和五夸克態(tài)；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?；貞浧鹪诩幽么笏_斯喀徹溫大學(xué)留學(xué)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(jié)奏很穩(wěn)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(chǔ)”。

在本科生教學(xué)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(xué)，吸引陳偉的是這里的生活環(huán)境和科研環(huán)境?！皼Q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(xué)。廣州地處嶺南，氣候宜居，美食云集。在中山大學(xué)面試的時候，我覺得中大物理學(xué)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(xué)習(xí)和研究經(jīng)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?！?017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(jīng)有七八位研究人員，主要從事粒子物理唯象學(xué)方面的研究，研究方向是低能QCD非微擾效應(yīng)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(fā)現(xiàn)的新型強子態(tài)。

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(fù)雜的強子構(gòu)型，這些超出夸克模型的強子稱為奇異強子態(tài)，如雙重子態(tài)，四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、分子態(tài)、混雜態(tài)、膠球等。研究這些新的奇異強子態(tài)構(gòu)型，包括它們的能譜和產(chǎn)生及衰變機制，對解釋實驗上發(fā)現(xiàn)的新粒子是非常有幫助的，也對深入理解量子色動力學(xué)中強相互作用機制和低能QCD非微擾效應(yīng)至關(guān)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(shù)，給尋找這些奇異強子態(tài)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(zhàn)。然而目前這一領(lǐng)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(tài)（四夸克態(tài)，五夸克態(tài)等）是否存在的問題，膠子自由度（混雜態(tài)和膠球）的激發(fā)問題，如何理解這些奇異強子態(tài)的能譜和衰變性質(zhì)等問題。

在陳偉看來，“混亂之處才是有發(fā)展?jié)摿桶l(fā)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(gòu)建和理解這些新強子態(tài)和奇異強子態(tài)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)以及它們的衰變行為”上，這一領(lǐng)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(tài)Pc(4312)、Pc(4440)、Pc(4457)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)到底是什么，是松散的分子態(tài)、緊湊的五夸克態(tài)，還是由動力學(xué)效應(yīng)產(chǎn)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(shù)，更多的奇異五夸克態(tài)粒子在將來很可能會被觀測到，對它們各種性質(zhì)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。