全粲四夸克态自旋-宇称量子数的首次测定——LHC上CMS实验揭开奇特强子内部结构新篇章

《Nature》：Determination of the spin and parity of all-charm tetraquarks

CMS合作组利用LHC在2016-2018年采集的135 fb?1质子-质子对撞数据，首次对X(6600)、X(6900)和X(7100)全粲四夸克态家族进行角分析，通过基于矩阵元似然法的运动学判别量构建，确定其JPC量子数为2++，排除了0?+、1?+等假设（置信度>5σ）。该研究将希格斯玻色子表征技术成功应用于奇特强子研究，为区分紧束缚四夸克态与介子分子模型提供了关键约束。

　　

在粒子物理标准模型中，强子作为物质的基本组成单元，其结构研究一直是前沿焦点。传统夸克模型成功描述了由三夸克组成的重子（如质子、中子）和正反夸克对组成的介子，然而对于四夸克态、五夸克态等奇特强子，其内部结构始终存在争议。2003年Belle实验发现的X(3872)粒子开启了奇特强子研究的新篇章，但这类粒子究竟是由夸克紧密束缚的纯四夸克态，还是由两个介子通过类似核力结合的松散分子态，成为困扰学界二十余年的核心难题。

全重味四夸克态因其具有显著减小的量子涨落效应，被视为破解这一难题的理想体系。近年来LHCb、ATLAS和CMS实验相继在双J/ψ介子不变质量谱中发现X(6900)等共振结构，CMS实验更观察到6600-7100 MeV范围内的三峰干涉结构，提示可能存在具有相同量子数的径向激发态家族。然而，这些粒子的自旋、宇称等基本量子数的实验测定始终空白，严重制约了对其他内部结构的理解。

为解决这一难题，CMS合作组在《Nature》发表的研究中，创新性地将希格斯玻色子发现时开发的角分析技术体系应用于全粲四夸克态系统。研究基于LHC在13 TeV对撞能量下采集的135 fb^?1数据，通过四μ子末态重建X→J/ψJ/ψ→μ⁺μ^?μ⁺μ^?衰变链，对8651个候选事例进行多维角分布分析。实验采用JHUGEN 7.5.7程序模拟不同自旋-宇称假设下的螺旋度振幅，结合GEANT4探测器模拟和PYTHIA 8.240非共振背景建模，构建了覆盖8种J_i^P模型的概率密度函数。

关键技术方法包括：1）基于矩阵元似然法的运动学判别量D_ij构建，将三维角空间(θ₁,θ₂,Φ)投影至最优区分维度；2）考虑部分子碰撞与单部分子碎裂两种产生机制下的极化效应；3）通过Combine工具进行二维(m_4μ,D_ij)模板拟合，系统评估质量形状和判别量的不确定性。

量子数测定结果

通过比较2_m⁺模型与其它假设的似然比检验，研究发现在所有配对测试中2_m⁺假设均显著优于替代模型。对J^PC=0^?+和1^?+的排除显著性超过5σ，对1⁺⁺的排除达到99%置信水平，对0⁺⁺混合模型的排除也超过95%置信度。这表明X粒子家族的宇称P和电荷共轭宇称C均为+1，自旋量子数J与2?一致。

角分布特征分析

研究显示2_m⁺模型的螺旋度振幅组成具有独特特征：在m_4μ=6.9 GeV时，|A₊₊|²占9%，|A₀₀|²占21%，4|A₊₀|²占47%，2|A_+-|²占23%。这种振幅分布既包含自旋2态特有的A_+-=A_-+成分，又同时存在七个其它振幅贡献，与0⁺⁺或1⁺⁺模型产生明显区分。通过检验0_m⁺/0_h⁺混合模型和2_m^?/2_h^?混合模型，进一步确认2_m⁺模型的优越性在不同混合场景下均保持稳定。

内部结构约束

J^PC=2⁺⁺的测定结果对四夸克态内部结构模型产生强约束。在紧束缚四夸克模型中，两个粲夸克形成自旋1的反对称色态，两个反粲夸克同理，两对色荷中性的双夸克通过轨道角动量L=0的S波结合，自然产生J=0或2的态。而在分子模型中，两个J/ψ介子的结合不要求构成介子处于自旋1态，使得J=2构型出现概率较低。实验结果更支持前者，与理论计算中自旋1双夸克态倾向于形成J=2态的预测相符。

本研究首次实现了全粲四夸克态家族量子数的实验测定，将希格斯玻色子表征技术成功拓展至奇特强子领域。J^PC=2⁺⁺的确定为理解多夸克态非微扰QCD动力学提供了关键实验输入，排除了多种理论模型可能性。尽管当前结果尚无法完全区分紧束缚四夸克态与介子分子模型，但为后续通过极化测量和更高统计量研究奠定了方法论基础。这项工作标志着奇特强子研究从发现阶段进入精确测量时代，对揭示强相互作用在非微能区的本质规律具有里程碑意义。