解密夸克
——記清華大學(xué)高能物理學(xué)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(shuō)《芬尼根的守靈夜》。1964年，當(dāng)美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼讀到這里時(shí)，眼前豁然一亮。于是，他將自己的最新發(fā)現(xiàn)命名為“夸克（quark）”，意指一個(gè)質(zhì)子中有3個(gè)夸克，質(zhì)子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最基本粒子。

1964年，默里·蓋爾曼和喬治·茨威格獨(dú)立提出了夸克模型。他們認(rèn)為重子和介子是由其他3種更基本的粒子構(gòu)成的，這樣它們的關(guān)鍵特性才能得到很好的解釋。他們的理論模型預(yù)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(zhì)量是所有夸克中最低的。較重的夸克會(huì)通過(guò)一個(gè)叫粒子衰變的過(guò)程，來(lái)迅速地變成低質(zhì)量的夸克。粒子衰變是一個(gè)從高質(zhì)量的態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過(guò)程。上及下夸克一般來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，它們?cè)谟钪嬷休^為常見(jiàn)，而奇、粲、頂及底則只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生并很快衰變。

新奇的世界，總是能激勵(lì)各國(guó)的科學(xué)家們。2015年7月，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的LHCb國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)以確定無(wú)疑的結(jié)果向世人宣布——“五夸克態(tài)”粒子的確存在。此項(xiàng)研究由LHCb國(guó)際合作組成員共同完成，其中清華大學(xué)和美國(guó)雪城大學(xué)的LHCb研究人員做出了重要貢獻(xiàn)。大家歡呼，“LHCb的實(shí)驗(yàn)，使人們相信自然界中除了常規(guī)物質(zhì)，確實(shí)存在奇特態(tài)物質(zhì)”。

那么，夸克是如何組合在一起的？它的性質(zhì)是什么？是否有新的五夸克態(tài)或衰變模式？這一連串的問(wèn)題也正是清華大學(xué)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(xué)工程物理系

冷板凳17年，只為走進(jìn)粒子世界

2019年3月26日，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的LHCb國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)宣布發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的五夸克態(tài)Pc(4312)，并觀測(cè)到2015年發(fā)現(xiàn)的五夸克結(jié)構(gòu)Pc(4450)實(shí)際上是由兩個(gè)質(zhì)量相近的共振態(tài)Pc(4440)和Pc(4457)疊加而成。清華大學(xué)工程物理系副教授張黎明是此次新發(fā)現(xiàn)的主要完成者。

這是短短4年時(shí)間里，五夸克態(tài)的又一次重大發(fā)現(xiàn)。“此次發(fā)現(xiàn)或能讓我們重新認(rèn)識(shí)強(qiáng)相互作用。”高能物理學(xué)界又一次為之振奮。以清華大學(xué)工程物理系團(tuán)隊(duì)為主的LHCb中國(guó)組成員功不可沒(méi)。

“新的研究利用了迄今為止LHCb探測(cè)器采集的所有數(shù)據(jù)，通過(guò)重新優(yōu)化的事例選擇條件，信號(hào)的接收效率又得到了顯著提高。這次實(shí)驗(yàn)分析的數(shù)據(jù)有效統(tǒng)計(jì)量比2015年時(shí)幾乎增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)，在低統(tǒng)計(jì)量時(shí)無(wú)法觀測(cè)到的細(xì)致結(jié)構(gòu)清晰地顯現(xiàn)出來(lái)，給予了人們新的驚喜?！毙掳l(fā)現(xiàn)的主要完成者張黎明平靜地回憶了此次研究過(guò)程。

張黎明言語(yǔ)不多，偌大的實(shí)驗(yàn)室聽(tīng)到的更多是機(jī)器的聲音。他把所有的心思和精力全部用在了高能物理領(lǐng)域，這里是他的激情世界。說(shuō)起與五夸克態(tài)的淵源，張黎明將時(shí)間回溯到了1997年。“那年我參加高考，當(dāng)時(shí)老師、父母和親戚都希望我去中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(gè)人琢磨新奇玩意兒”，張黎明說(shuō)，“后來(lái)還真考到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，這樣順理成章就選擇了應(yīng)用物理專業(yè)。讀到大四的時(shí)候，要保研。我選擇了高能物理專業(yè)的碩博連讀，主要是被諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)所吸引。而且，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的高能物理專業(yè)有很多國(guó)際合作項(xiàng)目，有機(jī)會(huì)接觸到國(guó)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(yè)深耕，拿到了學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。在學(xué)期間，張黎明主攻量子場(chǎng)論、粒子物理、核物理和近代數(shù)學(xué)，為的是有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，他還在射線探測(cè)技術(shù)，計(jì)算機(jī)在線獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行理論研究等方面，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。2006年年底，張黎明到美國(guó)雪城大學(xué)從事博士后研究，加入了LHCb實(shí)驗(yàn)組。8年時(shí)間，沉迷于粒子物理的重味物理、電荷宇稱對(duì)稱性破缺（CP破壞）和奇特態(tài)（Exotic states）尋找等領(lǐng)域。

17年求學(xué)生涯，為張黎明今后進(jìn)行獨(dú)立的研究和探索打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。他實(shí)現(xiàn)了自己進(jìn)入高能物理領(lǐng)域的夢(mèng)。說(shuō)起求學(xué)時(shí)的故事，觸動(dòng)張黎明最深的是在日本高能研究所的Belle實(shí)驗(yàn)。“那時(shí)候還在讀博士，我的日本導(dǎo)師是一個(gè)非常勤奮的人，科研能力也很很強(qiáng)。他一般要工作到凌晨一兩點(diǎn)才睡覺(jué)，第二天七八點(diǎn)就又到工作室了。我每次發(fā)電子郵件，不論多晚，他總是即刻回復(fù)”，張黎明回憶道，“這樣的科研精神，讓我對(duì)科學(xué)研究有了新的認(rèn)識(shí)?！痹谶M(jìn)入研究狀態(tài)后，張黎明還遇到了生活上的不適應(yīng)與科研無(wú)進(jìn)展之間的瓶頸期，“由于生活上的一些不適應(yīng)，工作進(jìn)展總是很慢。再加上研究項(xiàng)目有難度，我就很焦急。但是，老師鼓勵(lì)我不要灰心，按照自己的方法做下去。這樣的鼓勵(lì)，對(duì)于當(dāng)時(shí)的我來(lái)說(shuō)，就是茫茫大海中的燈塔。也因此，我才能夠心無(wú)旁騖地按照自己的想法去做實(shí)驗(yàn)。后來(lái)，實(shí)驗(yàn)成功了，成果還發(fā)表了論文。這個(gè)，對(duì)以后走科研道路是很大的鼓舞”。

2014年，張黎明回到清華大學(xué)，從事奇特強(qiáng)子態(tài)研究，為他解密夸克世界開(kāi)始了一段新的旅程。

五夸克態(tài)，確實(shí)存在

2015年，清華大學(xué)聯(lián)手美國(guó)雪城大學(xué)和LHCb的其他單位，發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的共振態(tài)Pc(4380)+和Pc(4450)+，并認(rèn)為它們和五夸克態(tài)性質(zhì)相符。由于統(tǒng)計(jì)量不夠，實(shí)驗(yàn)未唯一確定PC(4380）+和PC(4450)+的自旋宇稱量子數(shù)，只確定它們的自旋量子數(shù)一個(gè)是3/2和另一個(gè)是5/2，宇稱相反。2015年12月11日，英國(guó)物理學(xué)會(huì)旗下期刊《物理世界》公布了2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)五夸克態(tài)的研究成果位列其中。12月18日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)主編的《物理》雜志公布年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域八項(xiàng)重要成果，該項(xiàng)成果位列第二。作為L(zhǎng)HCb國(guó)際合作組成員，張黎明在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)中做出了自己的貢獻(xiàn)。

20世紀(jì)五六十年代，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到200多個(gè)強(qiáng)子，因此探索如此大數(shù)目強(qiáng)子可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并建立它們的“元素周期表”成為當(dāng)時(shí)粒子物理學(xué)家思考的問(wèn)題。1964年，美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格各自獨(dú)立提出了強(qiáng)子的夸克模型，認(rèn)為質(zhì)子和中子不是基本粒子，而是由3個(gè)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(chuàng)建初期，科學(xué)家們預(yù)言存在多夸克態(tài)。但是，當(dāng)時(shí)沒(méi)有什么能證實(shí)夸克存在的物理證據(jù)，直到實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)了四夸克態(tài)候選者的直接證據(jù)：如北京譜儀和日本Belle實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了Zc(3900)等帶電的奇特粒子，以及Belle發(fā)現(xiàn)和最終被LHCb實(shí)驗(yàn)證實(shí)的Zc(4430)。

“傳統(tǒng)的夸克模型認(rèn)為介子由1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成，重子由3個(gè)夸克或3個(gè)反夸克組成。然而描述夸克之間強(qiáng)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(qiáng)子，如夸克膠子混雜態(tài)、強(qiáng)子分子態(tài)、多夸克態(tài)、膠子球等。然而這一理論卻一直沒(méi)有得到驗(yàn)證”。2013年3月26日，Zc(3900) 被發(fā)現(xiàn)。科學(xué)家們認(rèn)為，這可能就是他們長(zhǎng)期尋找的一種奇特強(qiáng)子。Zc(3900) 的發(fā)現(xiàn)被美國(guó)物理學(xué)會(huì)主編的《物理》雜志評(píng)為2013年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域重要成果之一。當(dāng)時(shí)，LHCb數(shù)據(jù)中有現(xiàn)象表明可能存在五夸克態(tài)。但是，很多專家不認(rèn)為是五夸克態(tài)。

“在關(guān)于是不是五夸克態(tài)方面，科學(xué)家們是極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?，張黎明回顧了?dāng)時(shí)的情形，“因?yàn)樵?003年開(kāi)始的幾年時(shí)間里，有多家實(shí)驗(yàn)室聲稱找到了五夸克態(tài)，但是后來(lái)被證明是假的。這些實(shí)驗(yàn)的事例較少，統(tǒng)計(jì)量有限。后來(lái)，美國(guó)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)提高了20倍的數(shù)據(jù)量，卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)之前的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因此認(rèn)為不是真的五夸克態(tài)。所以，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，大家都懷疑是不是真的會(huì)存在五夸克態(tài)?！?/p>

張黎明所在的清華組沿著這一方向，做了進(jìn)一步的研究，“通過(guò)檢查達(dá)利茲圖（Dalitz-plot）的兩維分布發(fā)現(xiàn)，五夸克橫穿整個(gè)達(dá)利茲圖，信號(hào)十分明顯。因此，在國(guó)際合作組里面，我們首次提出這可能是五夸克態(tài)。后面的實(shí)驗(yàn)證明了五夸克態(tài)的存在。隨后，我們和美國(guó)雪城大學(xué)各自寫了一個(gè)程序，把需要的模型放進(jìn)去，然后來(lái)描述數(shù)據(jù)。最后，我們發(fā)現(xiàn)如果不加入五夸克態(tài)的模型，是不能描述數(shù)據(jù)的。如果把五夸克態(tài)的模型加進(jìn)去，才能描述數(shù)據(jù)”。

張黎明回憶：“分析的過(guò)程非常復(fù)雜，但結(jié)果令人興奮。正是全譜分析揭示出需要兩個(gè)五夸克態(tài)才能很好地描述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，我們把它們分別命名為Pc(4450)和Pc(4380)?！?/p>

有新發(fā)現(xiàn)的時(shí)刻，就是最幸福的時(shí)刻

發(fā)現(xiàn)Pc(4312)、Pc(4440)和Pc(4457)的時(shí)候，是張黎明和他的團(tuán)隊(duì)最興奮的時(shí)刻，也是LHCb實(shí)驗(yàn)在強(qiáng)子譜研究上最激動(dòng)人心的時(shí)刻。然而，張黎明卻在思考另一個(gè)問(wèn)題，“這三個(gè)五夸克態(tài)的寬度都很窄，質(zhì)量略低于粲重子和反粲介子質(zhì)量之和，有可能是粲重子和反粲介子形成的束縛態(tài)，但目前也不能排除有其他可能的解釋”。

這，預(yù)示著又一個(gè)新的開(kāi)始。

為了深入研究五夸克態(tài)的性質(zhì)，使中國(guó)科學(xué)家在實(shí)現(xiàn)五夸克態(tài)的發(fā)現(xiàn)這一重大突破后，在新強(qiáng)子態(tài)研究方面領(lǐng)域繼續(xù)保持領(lǐng)先，張黎明和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)而深入的五夸克態(tài)性質(zhì)研究，主要是利用LHCb實(shí)驗(yàn)在2019年停機(jī)升級(jí)前預(yù)期獲得的大統(tǒng)計(jì)量和高質(zhì)量數(shù)據(jù)，完成4項(xiàng)關(guān)于五夸克態(tài)的實(shí)驗(yàn)研究，包括95%置信度下的五夸克態(tài)的自旋宇稱量子數(shù)、尋找五夸克態(tài)其他的產(chǎn)生環(huán)境、尋找五夸克態(tài)新衰變模式等。其所用的研究方法是選取多體衰變，構(gòu)建包含已知共振態(tài)和新粒子作為中間態(tài)的概率模型，對(duì)衰變事例在末態(tài)相空間的分布進(jìn)行最大似然擬合，尋找中間態(tài)新粒子的貢獻(xiàn)并確定其性質(zhì)。

LHCb是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的四個(gè)大型實(shí)驗(yàn)之一，合作組由18個(gè)國(guó)家79家單位的1300余名物理學(xué)家組成。張黎明在研究之余還曾擔(dān)任LHCb物理工作組召集人，“當(dāng)時(shí)的工作主要有三個(gè)方面，一是隨著數(shù)據(jù)采集量的不斷增加，看哪些研究可以開(kāi)展。把這些研究設(shè)想?yún)R集起來(lái)，提供給新加入的成員；二是研究項(xiàng)目中有五六個(gè)工作組，采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)根據(jù)每個(gè)工作組的需要和優(yōu)先級(jí)，分配不同的帶寬采集數(shù)據(jù)。當(dāng)分配方案對(duì)自己工作組不利時(shí)，積極爭(zhēng)取合理方案；三是組織每周的工作組會(huì)議、協(xié)調(diào)推進(jìn)重要的物理分析和文章發(fā)表的工作?！睘榱送苿?dòng)研究更好地開(kāi)展，通宵達(dá)旦可謂家常便飯。幾乎每天，張黎明都要參加很多會(huì)議，與合作組成員一起討論問(wèn)題、交流進(jìn)展、協(xié)調(diào)分歧。除此之外，他還要頻繁往歐洲跑，處理遠(yuǎn)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(lái)計(jì)算的。

在歐洲核子研究中心

有時(shí)候，張黎明也會(huì)感到研究是一項(xiàng)極其辛苦的工作，尤其是眼前一片黑暗的時(shí)候，“那時(shí)候，不知道路走得對(duì)不對(duì)，就意味著走錯(cuò)了又要重來(lái)。但是，一旦有新發(fā)現(xiàn)，就會(huì)特別興奮和高興”。

能夠在科研的路上前行與堅(jiān)持，張黎明特別提到了他的父親：“高中時(shí)的數(shù)學(xué)考試，有幾次沒(méi)考好，父親就幫助我分析原因。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)是馬虎造成的。父親當(dāng)時(shí)很生氣。他使用了激將法，說(shuō)我‘這些題目在初中的時(shí)候都會(huì)刷，到高中反而不會(huì)了，怎么考大學(xué)’，后來(lái)親自陪著我做題，強(qiáng)調(diào)反復(fù)論證的步驟和做完題目要仔細(xì)檢查的重要性。這樣的訓(xùn)練，使我養(yǎng)成了認(rèn)真的習(xí)慣和后來(lái)喜歡探究問(wèn)題的科學(xué)素養(yǎng)?！?/p>

對(duì)于很多生活在柴米油鹽中的普通人來(lái)說(shuō)，微觀粒子看不見(jiàn)摸不著，很多人不太容易理解他們對(duì)高能物理的熱愛(ài)與專注。張黎明也不習(xí)慣跟人解釋。因?yàn)樵谒磥?lái)，世界上最美的故事，就是在夸克世界的奇妙探索。他說(shuō)：“科學(xué)研究可能在大部分情況下并沒(méi)有重大發(fā)現(xiàn)。激勵(lì)我們探索下去的因素就是之前出現(xiàn)的一些小問(wèn)題，總想找到它的答案。當(dāng)這個(gè)小問(wèn)題能解決的時(shí)候，也會(huì)特別開(kāi)心，然后接著做下去……”