北京正負電子對撞機撞出了什么新奇發現？

如果你以為“對撞機”只是把粒子撞得粉身碎骨，那你就小看它了！坐落在北京西郊的北京正負電子對撞機（BEPC），不僅是中國第一臺大科學裝置，更是世界τ-粲能區的“霸主”。在它那看似冰冷的環形隧道里，一次次微觀“爆炸”正悄悄改寫我們對宇宙基本構成的認知。今天，就讓我們盤點它近年來撞出的幾件“新奇發現”——每一樣都足以讓粒子物理學家興奮地睡不著覺。

膠球：由膠子自己粘成的粒子

標準模型曾預言，傳播強相互作用的膠子不僅能“粘”住夸克，還能彼此吸引，形成一種純由膠子構成的全新粒子——膠球。但40多年來，它始終神龍見首不見尾。

2024年，BEPC與北京譜儀（BESⅢ）合作首次在100億個J/ψ粒子衰變的大海中，精準觀測得一種新粒子——X(2370)。這是實驗上首次觀測到與理論計算的贗標量膠球質量、產生和衰變性質一致的粒子。其自旋宇稱量子數為0??，與理論預測的贗標量膠球完全吻合。這是迄今膠球存在的最強實驗證據，也為標準模型補上了“缺失的拼圖”。

四夸克粒子：Zc(3900)——“夸克四重奏”

傳統教科書告訴我們：介子=1個夸克+1個反夸克。2013年，BEPC卻撞出了一個帶電的Zc(3900)，內部至少塞下兩對正反粲夸克。它像一支四重奏樂隊，卻和諧地共存在一個粒子體內。

該發現立刻被《自然》頭條報道，并入選2013年度“中國科學十大進展”；美國Physics雜志更將其列為當年全球物理學11項重大突破之首。隨后，BESⅢ又捕捉到它的“堂兄Zc(4020)”，讓“多夸克態”成為國際高能物理最火熱的關鍵詞之一。

超子極化：微觀世界的“自旋陀螺”

你可能沒聽過Λ超子（蘭布達超子），但它卻是研究物質-反物質不對稱的利器。超子，或稱奇異重子，是含奇異夸克的重子。Λ超子是質量最小的超子，最早于20世紀40年代末在宇宙線實驗中被發現，因質量比核子重而得名。2019年，BESⅢ利用13億J/ψ衰變，從43萬個J/ψ衰變產出正反超子的事例中首次觀測到超子存在高達25%的橫向極化度。這意味著在大量超子樣本中，約25%的超子自旋方向呈現出統計性偏向，這種偏向在經典物理中是難以想象的，但在量子世界中卻是真實存在的。

更酷的是，這種極化讓科學家把正反Λ衰變參數的測量精度提高到1.3%，一舉發現過去40年沿用的Λ衰變參數一直被低估了17%，為尋找宇宙物質-反物質失衡的根源提供了全新實驗探針。

質子-反質子“分子”：X(1880)的曖昧束縛

2024年，BESⅢ新發現一個質量為1882 MeV的共振結構X(1880)。它的質量略重于一個質子加一個反質子，卻表現出強烈的相互吸引。理論家猜測，這可能是一個質子-反質子束縛態——就像微觀世界里的氫分子，只不過“電子”被“反質子”替代。若被證實，將刷新我們對核子間強相互作用的認識。

精確“稱重”τ輕子：給標準模型做體檢

τ輕子是標準模型里最重的輕子，其質量一直是檢驗輕子普適性的試金石。BEPC在20世紀便給出全球最精確的τ質量數據，精度比原來提高了10倍，被認為是當年國際高能物理領域最重要的成果之一，更新了粒子物理學數據權威《粒子數據手冊》，并保持了20多年的領先地位。

結語：小對撞機，大宇宙

從膠球到四夸克，從τ輕子到膠子，BEPC用一次次“猛烈”的對撞，把宇宙最深層的秘密帶到我們面前。未來，隨著亮度再提升100倍的BEPCⅡ全面運行，更多新奇粒子與未知現象有望在這片“微觀宇宙”里現身。誰說小裝置撞不出大新聞？北京正負電子對撞機，正在用實力回答。

參考文獻：

[1] M. Ablikim, M.?N. Achasov, P. Adlarson and etal.,Determination of Spin-Parity Quantum Numbers of (2370) as from /→′Phys. Rev.Lett.132(2024)181901.

[2] M. Ablikim, M.N. Achasov, X.C. Ai and etal.,Observation of a Charged Charmoniumlike Structure in →J/ψ at =4.26 GeV,Phys. Rev.Lett.110(2013)252001.

[3] The BESIII Collaboration, Polarization and entanglement in baryon–antibaryon pair production in electron–positron annihilation, Nat. Phys. 15, (2019)631-634.

[4] M. Ablikim, M.?N. Achasov, P. Adlarson and etal.,Observation of the Anomalous Shape of (1840) in /→3() Indicating a Second Resonance Near Threshold,Phys.Rev.Lett. 132,(2024)151901.

[5] 李金，我為BEPC/BES的成功點贊——紀念BEPC對撞成功30年，現代物理知識，30（2018）13-15.

出品：科普中國

作者：楊超（深圳理工大學科普主管、中國科普作家協會會員）

監制：中國科普博覽