南师大易凯教授领衔CMS联合团队在Nature发表最新研究成果

12月3日，由南京师范大学物理科学与技术学院易凯教授领衔的CMS联合团队在Nature期刊上发表研究论文“Determination of the spin and parity of all-charm tetraquarks”，揭示全粲四夸克家族及其量子特性。Nature官方网站同期进行新闻发布，并刊登专题评论文章。

2024年欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机上的CMS实验报告三个共振态结构：X(6600)、X(6900)和X(7100)。它们的衰变产物是一对J/ψ（自旋为1的粲-反粲）介子。基于“第二轮运行（Run 2）”数据的结果发表在《物理评论快报》上，并被选为"编辑推荐"。这三个态被解释为由四个粲夸克组成的奇异四夸克的候选者，作为一种潜在的新强子物质形态（属于强相互作用粒子类别，质子和中子也属于此类），引起了学界的广泛关注。易凯教授组织团队对CMS数据展开更深入的系列研究，先后邀请清华大学胡震教授、翰霍普金斯大学CMS团队的Andrei Gritsan教授、复旦大学沈成平教授等学者加入研究团队开展合作研究。此次发表的成果，即为合作产生的自旋-宇称的测量分析结果。

在自旋-宇称分析中，团队基于2016至2018年采集的CMS数据，首次对这三个粒子的量子数进行了测量。研究采用曾用于希格斯玻色子研究的角分析技术，确定它们的宇称和电荷共轭量子数均为正（P = C = +1）。在自旋方面，数据与自旋为2的假设相符，而自旋为0和1的可能性则分别在95%和99%的置信水平下被排除。自旋为2的粒子在自然界中罕见，这是在所有确凿证实的奇特强子中，测量得到自旋为2的首批奇特强子。该测量结果与内部结构为双夸克-反双夸克的模型（即[cc]-[c̄c̄]）一致：两个粲夸克构成的夸克对与其反粒子对均处于自旋为1的状态，且自旋方向一致，它们之间的轨道角动量为零，这一测量是对三重态可能的内部结构进行的首次探索。

研究团队利用2022至2024年采集的新数据扩展了先前分析。这批数据总计对应315 fb⁻¹的质子-质子碰撞，所产生的J/ψ J/ψ粒子对数量达到之前的3.6倍，从而使新的分析对这三个态具有更加清晰的图像：所有三个结构以及它们之间的干涉现象，统计显著性均已超过五倍标准偏差（>5σ）。尽管这些粒子具体的自旋宇称尚未测定，但干涉现象的存在表明它们具有相同的自旋宇称值——暗示它们属于同一个X粒子家族，也为后续测量三重态相同自旋宇称的假设提供了物理依据。在ψ(2S)J/ψ衰变道的分析中，CMS实验首次观测到X(6900)粒子以X(6900) → J/ψ ψ(2S) → μ⁺μ⁻μ⁺μ⁻模式衰变，并在同一衰变道中发现了X(7100)存在的证据。此外，该分析还捕捉到X(6900)与X(7100)之间存在干涉的初步迹象，从而与双J/ψ道的研究结果相互印证。这些更新后的结果，以及它们所提供的对X三重态更深入的理解，将很快提交正式发表。

该系列成果是南京师范大学、清华大学、复旦大学的CMS团队师生共同努力的结果。中山大学、上海理工大学、河南师范大学及其他CMS团队也为此系列成果作出了贡献。该项研究得益于国家自然科学基金委和科技部的持续资助，以及南京师范大学物理科学与技术学院及前沿物理与交叉科学研究院、教育部国家重点实验室的大力支持。