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五夸克强子态性质的研究

一、引言

强子是由夸克和胶子通过强相互作用组成的复合粒子，也是目前人类能够从实验上观测到的具有内部结构的最小单元。强子性质的研究对于全面理解量子色动力学（QCD）的低能行为、精确检验粒子物理标准模型、寻找新物理、了解物质质量起源以及宇宙天体演化都具有重要的科学意义。根据QCD理论，强子可分为由一对正反夸克组成的介子、由三个夸克组成的重子，以及超出这些传统构型的奇特强子态，五夸克强子态便是奇特强子态的重要成员之一。

二、五夸克强子态的理论预言

1964年，默里?盖尔曼最早提议奇异强子存在，为五夸克强子态的理论研究奠定了基础。1979年，丹尼尔?斯特劳曼给出模型描述由四个夸克与一个反夸克组成的强子。1997年，俄罗斯圣彼得堡科学院核物理学院的理论物理学者马克沁?波利亚科夫、维克托?佩特罗夫和德米特里?帝雅克诺夫预言了由两个上夸克、两个下夸克与一个奇夸克组成的五夸克粒子存在，并将这种粒子命名为Θ?，其质量约为1530MeV、宽度约为15MeV，奇异数为1的特殊性质为实验辨识提供了重要依据。

在理论发展过程中，重夸克对称性在五夸克强子态的研究中发挥了重要作用。粲夸克作为一种较重的夸克，其自旋相关的相互作用在领头阶近似下可忽略，使得包含粲夸克的系统具有近似的重夸克自旋对称性。基于此，相互差别仅为重夸克自旋指向的强子性质相似，属于同一家族。例如，包含一个反粲夸克的自旋为0的D?介子与自旋为1的D??介子同属一个自旋多重态，包含一个粲夸克的自旋为1/2的Λc重子与自旋为3/2的Σc重子则同属另一个自旋多重态。这种自旋对称性将同一家族的含粲夸克强子与其他强子之间的相互作用联系起来，为研究五夸克强子态的结构和性质提供了重要的理论框架。

三、五夸克强子态的实验发现历程

2000年代，多个实验曾报告发现五夸克态，但后续对实验数据的重新分析以及新实验结果表明，这些早期发现多为统计效应，并非真实的共振。直到2015年7月13日，欧洲核子研究组织的LHCb实验团队在底Λ粒子的衰变反应中，首次发现了被广泛认为是由四个夸克和一个反夸克组成的五夸克态，这一发现开启了五夸克强子态实验研究的新篇章。

2019年，LHCb实验团队采用比2015年高一个量级的数据量，公布了更为精细的实验结果。他们发现五夸克态存在更复杂的结构，如Pc(4450)是由两个宽度更小的结构Pc(4440)和Pc(4457)组成，此外还发现了一个质量更小的Pc(4312)。这些新发现引发了理论界的广泛关注和深入研究，众多理论工作认为这些结构可能是由一个粲重子和一个反粲介子组成的强子分子态。

2021年，LHCb实验在含奇异夸克底重子Ξb到粲夸克偶素J/ψ、超子Λ和K介子的衰变过程中，观测到一个全新的J/ψΛ共振结构，其信号显著性水平为3.1倍标准差，质量约为质子质量的4.5倍，性质与包含奇异夸克的五夸克态相符，被命名为Pcs(4459)?粒子。这一发现不仅再次验证了五夸克态的存在，其独特的性质也为五夸克态的理论解释提供了更丰富的信息。

四、五夸克强子态的内部结构猜测

紧密束缚的五夸克结构：一种观点认为五夸克强子态中，五个夸克紧紧地束缚在一起，形成一个紧密的整体结构。在这种结构中，夸克之间的强相互作用力使得它们紧密结合，色荷相互抵销以满足强相互作用的要求。然而，具体的束缚机制和夸克之间的相互作用细节仍有待深入研究，目前的理论模型在描述这种紧密束缚结构时还面临诸多挑战，例如如何准确计算夸克之间的相互作用能以及如何解释实验中观测到的一些特殊性质。

强子分子态结构：许多研究倾向于认为五夸克强子态是由一个重子与一个介子松松地束缚在一起形成的强子分子态。这种观点与实验中观测到的一些现象相契合，例如部分五夸克态的质量靠近某些重子和介子组合的阈值。以LHCb发现的五夸克态为例，Pc(4312)的质量靠近ΛcD??这两个粒子的阈值，Pc(4440)和Pc(4457)则靠近ΣcD?的阈值，这使得很多研究者认为它们是相应粒子对的束缚态。在强子分子态的图像下，重夸克对称性意味着存在一系列相关的束缚态。通过重夸克对称性的限制，利用实验观测到的部分五夸克态来确定相关相互作用强度后，可以对其他未被观测到的束缚态质量进行预测。例如，理论研究预测还存在类似的1个束缚态和3个束缚态，它们总共7个态属于两个家族，每个家族拥有相同的轻夸克自旋，家族内部成员的差别在于重夸克的自旋构型。

五、五夸克强子态性质的研究现状

能谱研究：对五夸克强子态能谱的研究是理解其性质的关键。实验上通过测量不同衰变过程中产生的粒子对的不变质量谱来确定五夸克态的质量和