⚛️ high-energy experiments

Observation of structures in the $J/\psi +\psi(2S)$ mass spectrum with the ATLAS detector

利用 140 fb $^{-1}$ 的 13 TeV 质子-质子碰撞数据，ATLAS 实验在 $J/\psi + \psi(2S)$ 质量谱的 6.9 GeV 附近观测到一个显著的过剩，其综合显著性为 8.9 $\sigma$ ，同时在 7.2 GeV 附近未发现显著信号，并确定了该 6.9 GeV 共振态在 $J/\psi + \psi(2S)$ 与 di- $J/\psi$ 通道之间的部分衰变宽度之比。

原作者： ATLAS Collaboration

发布于 2026-06-26

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CC BY 4.0

原作者： ATLAS Collaboration

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

大局观：在交通拥堵中搜寻“幽灵车”

想象一下，位于欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）就像是一个巨大的、高速运转的赛车场，被称为质子的微小粒子在这里以接近光速的速度相互碰撞。当它们相撞时，会产生一场混乱的碎片爆炸，就像繁忙路口发生的大规模连环车祸一样。

大多数时候，这些碎片只是标准的“交通流量”——即物理学家经常看到的普通粒子。但有时，在极短的一瞬间，一辆稀有且奇异的“幽灵车”会出现。这辆幽灵车是一个四夸克态（tetraquark），由四个“粲”（charm）夸克粘合在一起组成。这些粒子之所以奇异，是因为夸克通常是成对或成三出现，而不是以四人组的形式存在。

2020年，科学家们首次发现了一辆这样的幽灵车，命名为 X(6900)，因为它出现的质量大约在 6.9 十亿电子伏特（GeV）左右。然而，他们只有在幽灵车分解成两个特定的碎片（两个 J/psi 粒子）时才能看到它。

这篇新论文提出了一个简单的问题： 如果这辆幽灵车确实存在，它是否也会分解成另一组不同的碎片？具体来说，它是否会分解为一个 J/psi 和一个 psi(2S)？

调查过程：两种不同的观察视角

CERN 的 ATLAS 团队就像是在通过两种不同的相机镜头观察车祸现场的侦探：

镜头 A（4 个缪子）： 他们寻找幽灵车分解成四个缪子（一种重电子）的情况。
镜头 B（4 个缪子 + 2 个派子）： 他们寻找幽灵车分解成四个缪子加上两个派子的情况。第二个镜头就像是一个广角视图；它能捕捉到更多的碰撞碎片，从而更容易发现这种稀有的事件。

他们分析了来自 140 个“反费米子”（这是一个表示他们观察了海量数据的方式，相当于 140 万万亿次碰撞）的碰撞数据。

发现结果：噪音中的响亮警报

当科学家们整理数据时，他们发现了一些令人兴奋的发现。在两个相机镜头中，都在 6.9 GeV 附近出现了一个明显的“凸起”或事件过剩。

类比： 想象你正在听一个嘈杂的房间，里面到处是人们说话的声音（背景噪音）。突然，有一个特定的人大声喊出了一个名字。在第一个镜头中，你清晰地听到了这个喊声；在第二个镜头中，你听到的声音甚至更响亮。
结果： 该信号非常强烈，其纯属随机巧合的可能性不到十亿分之一。在科学术语中，他们达到了 8.9 个标准差（sigma）的显著性。（作为参考，5 个 sigma 是宣布发现的标准要求；8.9 则是一个巨大的、无可争辩的确认）。

这证实了 X(6900) 幽灵车的存在，并且它确实可以分解成 J/psi + psi(2S) 的组合。

“如果……会怎样”测试：是否存在第二辆幽灵车？

科学家们还想知道，是否可能存在第二辆比第一辆更重的幽灵车，位于 7.2 GeV 左右。他们将这个假设的粒子称为 X(7200)。

类比： 这就像是在检查同一堆连环车祸中是否隐藏着第二辆更重的车。
结果： 他们进行了非常仔细的观察，但没有发现这第二辆车的证据。他们设定了一个上限，本质上是在说：“如果这第二辆车确实存在，那么它在我们的这套数据集中极其罕见，以至于我们没有观测到它。”

联系：幽灵车是如何分解的

最有趣的发现之一是如何 X(6900) 分解。团队比较了它分解成两个 J/psi 粒子的频率与分解成一个 J/psi 和一个 psi(2S) 的频率。

类比： 想象一个神奇的盒子有两种打开方式：要么掉出两个红球，要么掉出一个红球和一个蓝球。科学家发现，这个盒子掉落这两种组合的速率几乎完全相同。
结果： 这两种衰变路径的比例大约为 1:1。这告诉我们，这个四夸克态的内部结构非常特殊且对称，它对两种分解方式的偏好几乎是一致的。

研究结果总结

确认： ATLAS 实验通过观察其分解成一种新的粒子组合（J/psi + psi(2S)），确认了 X(6900) 四夸克态的存在。
强度： 证据极其有力（8.9 sigma），使其成为一次确定性的观测。
无第二辆车： 在该数据集中没有发现更重的伴随粒子（X(7200)）的证据。
衰变模式： 该粒子以几乎与旧通道相同的速率通过新通道进行衰变，这表明其内部结构是平衡的。

简而言之，科学家们成功地找到了换了“新伪装”的“幽灵车”，证明了它在量子世界中是一个真实且稳定的（尽管寿命极短）物体，并且他们进一步了解了它是如何分解的。

技术摘要：ATLAS探测器中 $J/\psi + \psi(2S)$ 质量谱中结构的观测

问题与动机
奇异强子（特别是全粲四夸克态 $T_{cccc}$ ）的本质仍然是理解非摄动区域量子色动力学（QCD）的关键领域。继 2020 年 LHCb 合作组在 di- $J/\psi$ 质量谱中观测到 6.9 GeV 附近的窄共振态（ $X(6900)$ ）后，随后的 ATLAS 和 CMS 也进行了确认，而最近 CMS 对量子数的测量进一步推动了研究需求，即调查是否存在类似的共振结构于其他衰变道中。具体而言，本研究旨在寻找 $J/\psi + \psi(2S)$ 质量谱中的共振结构。虽然 ATLAS 此前曾研究过 $J/\psi + \psi(2S)$ 通道，但本分析通过重建 $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ 衰变模式扩展了调查范围，该模式的总分支比 $\psi(2S) \to \mu^+\mu^-$ 模式高出两倍以上，从而增加了潜在的信号产额。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在 2015–2018 年期间记录的、对应于 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子–质子碰撞数据，总积分亮度为 140 fb $^{-1}$ 。研究重点关注两个衰变通道：

$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu$
$J/\psi + \psi(2S) \to 4\mu + 2\pi$ （通过 $\psi(2S) \to J/\psi \pi^+ \pi^-$ ）

事件选择与背景估计：
使用双缪子和三缪子触发器进行事件选择。信号候选事件要求四个缪子形成两个质量分别符合 $J/\psi$ 和 $\psi(2S)$ 的异号对。对于 $4\mu+2\pi$ 通道，需要另外两个异号带电轨道。通过使用信号区域（SRs）和控制区域（CRs）进行同时拟合来完成分析。SRs 和 CRs 根据两个粲夸克候选态之间的角距离 $\Delta R$ 进行定义（SRs 为 $\Delta R < 0.25$ ，CRs 为 $\ge 0.25$ ）。该策略允许约束背景归一化并验证单部分子散射（SPS）背景的形状。

背景分为以下几类：

其他（Others）： 最多只有一个真实粲夸克共振态的事件（通过数据驱动的侧带方法估计）。
非瞬时（Nonprompt）： 来自 $b$ 哈德龙衰变的粲夸克（通过 MC 估计，并在专门的 CR 中进行修正）。
双部分子散射（DPS）： 通过 MC 估计，并在高双粲夸克质量的 CR 中进行约束。
SPS： 瞬时双粲夸克产生（通过 MC 估计，其形状由 Pythia 参数 $pT0timesMPI$ 约束）。

对于 $4\mu+2\pi$ 通道，采用了提升决策树（BDT）来抑制来自 di- $J/\psi$ 通道的馈入背景（即随机轨道被误识别为 $\pi$ 的情况）。

信号建模与拟合策略
在 $m_{4\mu}$ 和 $m_{4\mu+2\pi}$ 质量谱上进行无偏最大似然拟合。为了考虑潜在的干涉效应，考虑了三种代表性的信号模型：

模型 A： 两个相互干涉的 S 波 Breit–Wigner (BW) 共振态（假设在 di- $J/\psi$ 中观测到的 $X(6900)$ 也衰变为 $J/\psi+\psi(2S)$ ）。
模型 B： 一个与 SPS 背景干涉的共振态以及第二个独立的共振态。
模型 C： 单个独立的 BW 共振态（仅考虑 $J/\psi+\psi(2S)$ 通道）。

拟合过程同时提取信号产额、质量和宽度。偏衰变宽度比 $R = \Gamma(X(6900) \to J/\psi+\psi(2S)) / \Gamma(X(6900) \to \text{di-}J/\psi)$ 在模型 A 和模型 B 中被视为自由参数。研究还通过在模型中添加独立分量，对 7.2 GeV 附近的第二个共振态（ $X(7200)$ ）进行了搜索。

关键结果

$X(6900)$ 的观测： 在 $4\mu$ 和 $4\mu+2\pi$ 通道中均观察到 6.9 GeV 附近的显著过剩。结合显著性达到 8.9 $\sigma$ （通过将信号形状参数固定为最佳拟合值计算得出）。
共振性质： 拟合质量在所有模型中一致保持在 6.9 GeV 左右。宽度随模型而异：模型 A 约为 0.08 GeV，模型 B 和 C 约为 0.18 GeV。
偏宽度比： 在假设模型 A（标称值）和模型 B（系统误差评估）的情况下，测得偏衰变宽度比为 $R = 1.08 \pm 0.20 \pm 0.40$ （统计和系统不确定度）。这表明 $J/\psi+\psi(2S)$ 与 di- $J/\psi$ 的分支比相当。
$X(7200)$ 的搜索： 在 7.2 GeV 附近未观察到显著信号。相对于 $X(6900)$ ， $X(7200)$ 潜在产额的上限在 95% 置信度水平下设定为 0.41。
背景验证： 背景估计方法在控制区域中与数据表现出良好的一致性，验证了 SPS 背景形状和归一化的准确性。

显著性与结论
论文声称，本分析证实了 $J/\psi+\psi(2S)$ 通道中存在结构，且倾向于单一共振态假设（位于 6.9 GeV 附近）。该结果通过提供更精确的质量和宽度测定，并实现更高的统计显著性（相比于之前仅含 di- $J/\psi$ 的分析的 4.7 $\sigma$ ，达到了 8.9 $\sigma$ ），超越了同一合作组之前的测量结果（文献 [13]）。偏衰变宽度比接近于 1 的发现，支持了 $X(6900)$ 对两种双粲夸克末态具有相似耦合的情景。论文总结道，虽然当前数据不支持 7.2 GeV 附近的共振态存在，但未来需要更多数据集来精确确定这些奇异态的性质、量子数以及潜在的其他共振态。