青年拔尖人才说量子与空间（第一辑）

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书名：青年拔尖人才说量子与空间 第一辑

ISBN：978-7-115-65029-0

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版  权

组  编 北京航空航天大学科学技术研究院

责任编辑 郭 家

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内 容 提 要

本书基于北京航空航天大学科学技术研究院组织的“零壹”科学沙龙量子与空间专题研讨活动，在11篇由北京航空航天大学青年拔尖人才基于各自取得的阶段性科研成果所做的科普报告的基础上整理、集结而成。本书涵盖多夸克系统、量子物质、光、晶体、暗物质、引力理论与量子信息、地球磁层、空间粒子辐射、火星生命谜团、等离子体诊断方法、空间物理探测等内容。

本书以科普化的语言介绍量子与空间领域前沿的科学知识，适合广大科技爱好者阅读，也可作为相关专业研究人员的参考书。

丛书编委会

主  任： 杨立军

执行主编： 张 凤 李 晶 王 威

编  委 （按姓氏笔画排序）：

     王伟宗 宁晓琳 刘文龙 杜 轶

     杨明轩 苏 磊 李宇航 李艳霞

     李海旺 吴发国 陈增胜 胡殿印

     段海滨 聂 晨 郭炳辉 高 轩

     程群峰 潘 翀

本书编委会

主 编：曹晋滨

副主编：刘文龙 杜 轶

编 委 （按姓氏笔画排序）：

    王 帆 王小平 冯海凤 吕浩宇

    刘文龙 刘明珠 孙 莹 杜 轶

    李仕邦 宋奕辉 张 尊 张典钧

    张海青 陆俊旭 周小朋 郝维昌

    钟晓岚 耿立升 符慧山 曾 立

序

党的十八大以来，习近平总书记对高等教育提出了一系列新论断、新要求，并多次对高等教育、特别是“双一流”高校提出明确要求，重点强调了基础研究和学科交叉融合的重要意义。基础研究是科技创新的源头，是保障民生和攀登科学高峰的基石，高水平研究型大学要发挥基础研究深厚、学科交叉融合的优势，成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军。

北京航空航天大学（简称“北航”）作为新中国成立后建立的第一所航空航天高等学府，一直以来，全校上下团结拼搏、锐意进取，紧紧围绕“立德树人”的根本任务，持续培养一流人才，做出一流贡献。学校以国家重大战略需求为先导，强化基础性、前瞻性和战略高技术研究，传承和发扬有组织的科研，在航空动力、关键原材料、核心元器件等领域的研究取得重大突破，多项标志性成果直接应用于国防建设，为推进高水平科技自立自强贡献了北航力量。

2016年，北航启动了“青年拔尖人才支持计划”，重点支持在基础研究和应用研究方面取得突出成绩且具有明显创新潜力的青年教师自主选择研究方向、开展创新研究，以促进青年科学技术人才的成长，培养和造就一批有望进入世界科技前沿和国防科技创新领域的优秀学术带头人或学术骨干。

为鼓励青年拔尖人才与各合作单位的专家学者围绕前沿科学技术方向及国家战略需求开展“从0到1”的基础研究，促进学科交叉融合，发挥好“催化剂”的作用，联合创新团队攻关“卡脖子”技术，2019年9月，北航科学技术研究院组织开展了“零壹”科学沙龙系列专题研讨活动。每期选定1个前沿科学研究主题，邀请5～10位中青年专家做主题报告，相关领域的研究人员、学生及其他感兴趣的人员均可参与交流讨论。截至2021年11月底，活动已累计开展了38期，共邀请了222位中青年专家进行主题报告，累计吸引了3000余名师生参与。前期活动由北航科学技术研究院针对基础前沿、关键技术、国家重大战略需求选定主题，邀请不同学科的中青年专家做主题报告。后期活动逐渐形成品牌效应，很多中青年专家主动报名策划报告主题，并邀请合作单位共同参与。3年多来，“零壹”科学沙龙已逐渐被打造为学科交叉、学术交流的平台，开放共享、密切合作的平台，转化科研优势、共育人才的平台。

将青年拔尖人才基础前沿学术成果、“零壹”科学沙龙部分精彩报告内容结集成书，分辑出版，力图对复杂高深的科学知识进行有针对性和趣味性的讲解，以“宣传成果、正确导向，普及科学、兼容并蓄，立德树人、精神塑造”为目的，可向更多读者，特别是学生、科技爱好者，讲述一线科研工作者的生动故事，为弘扬科学家精神、传播科技文化知识、促进科技创新、提升我国全民科学素质、支撑高水平科技自立自强尽绵薄之力。

中国科学院院士

北京航空航天大学副校长

2023年12月

前  言

人类对自然界的好奇心是人类文明进步的动力之一。从古时候起，人们就尝试着观察和理解这个世界。古书中记载的“正北方有赤气如火影”，就是古人对极光的记录； 《汉书》中记载的“日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”，是世界上第一次明确的太阳黑子记录。

随着近现代科学的发展，人类对世界的认知向两个维度拓展，一是在微观尺度下利用加速器探索、研究基本粒子，二是在宏观尺度下借助天眼等先进的望远镜系统研究浩渺的宇宙，从而构建了从粒子到宇宙、从量子到空间的知识体系。

人类对自然界认识的不断加深，促进了物理学，包括空间物理学、天体物理学等基础学科的诞生与发展。量子物理作为现代物理学的基础理论之一，不仅呈现了微观尺度下的物质行为与经典物理中的巨大差异，还揭示了物质和能量相互作用的本质。这些认识超越了时间和空间的限制，物理学家们认识到物质和能量可以在宇宙中传递信息并相互作用，他们通过这些信息和相互作用揭示宇宙之谜。

基础研究是整个科学体系的源头。基础研究取得的颠覆性成果，推动了科技的跨越式发展，极大地改变了人类对世界的认知方式，进而引发了产业革命，对人类社会的发展产生了巨大影响。

本书收录了11篇由北京航空航天大学青年拔尖人才基于各自领域的科研成果撰写的科普文章，内容涵盖了从粒子尺度到宇宙尺度的有趣的物理现象和知识。本书既可以作为基础研究领域的前沿科普读物，激发普通读者的科学兴趣，也可以作为相关专业研究人员的参考书，给有志于从事相关基础科学领域研究的广大科技工作者以启迪。

中国科学院院士

北京航空航天大学空间与环境学院院长

2024年6月

物理学是研究物质的组成、相互作用及其运动规律的一门自然科学。历史上，人类对物质基本结构的认识经历了分子、原子、原子核，再到目前的夸克、轻子等不同阶段，每一次突破都伴随着人类对物质基本结构认识的深入。目前，人类对物质基本组成单元的认识停留在夸克、轻子层次。我们熟知的介子由一对正反夸克组成，重子由3个夸克组成。近年来，实验中发现了很多由多个夸克组成的多夸克态，此发现为我们认识强子的组成以及研究强相互作用带来了新的机遇与挑战。

探索物质的最小组成单元

1. 五行说、朴素的原子论

自古以来，人类对物质基本结构的研究从未停止。中国古代著名的思想家墨子认为物质有最小组成单元。除此之外，中国古代还有五行说，将物质分为金、木、水、火、土，这5种物质相生相克，阴阳循环，往复转化，构成万物。古希腊时期，德谟克利特认为世界由空间和物质组成，而后者由无数不能再分的微小原子组成（原子论）。亚里士多德进一步提出物质由水、气、火、土4种元素组成，天体由第5种元素“以太”组成。在古代，人们对物质基本组成的讨论主要停留在哲学层次，直到近几百年，才开始从科学的角度讨论。今天，研究物质的基本组成是物理学，特别是高能物理学的主要内容之一。

2. 现代原子论及原子核的发现

真正现代意义上的原子论由道尔顿提出。1803年，英国科学家道尔顿提出组成世界的最小物质单元是原子。同一种元素的原子的性质和质量相同，在化学反应中原子不发生变化。1897年，英国物理学家汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子，打开了认识原子的大门。1911年，英国物理学家卢瑟福在α粒子散射金箔实验中发现了原子核。这些发现颠覆了原子是物质基本组成单元的假说。人们对物质基本结构认识的深入，推动了物理学的发展。在发现电子以前，宏观低速物体的运动规律服从牛顿力学，电磁规律服从麦克斯韦电磁理论。在发现电子以后，氢原子的很多性质不能用经典力学解释，由此诞生了量子力学，其在解释氢原子能谱中起到了重要的作用。人们开始认识到，原子是由原子核和核外电子组成的。

由质子、中子构成的原子核

1. π介子与核力

发现原子核以后，人们自然要问，原子核是不是由更小的粒子组成？1910年，卢瑟福用α粒子轰击原子发现了原子核，4年后，他用α粒子轰击氢原子，结果把电子给打掉了，于是人类发现了质子。1932年，查德威克发现了中子。今天，人们通常认为原子核是以质子和中子（统称为核子）为基本单元组成的。核子间的相互作用强度比电磁相互作用强度大很多，所以称为强相互作用。理论物理学家自然要探究质子和中子是通过什么机制束缚在一起形成原子核的。为了解释强相互作用，日本物理学家汤川秀树在1935年提出了π介子交换机制，他认为核子间的相互作用是通过交换一个未知的粒子实现的，即π介子，并根据测不准原理，预言了π介子的质量。π介子在20世纪50年代的实验中被证实存在。

汤川秀树提出的π介子交换机制第一次涉及核力的本质，从那以后，核力的研究主要基于唯象模型。然而，单π介子交换只能描述核力的长程部分，对短程部分以及中程部分无能为力。在此基础上，随着质量较大的ρ介子、ω介子等玻色子的发现，根据粒子交换的思想，人们进一步提出了著名的单玻色子交换模型，能够初步描述核力以及氘核的性质。但是，随着强相互作用的基本理论——量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）的构建，为了从第一性原理出发研究核力，温伯格提出利用手征有效场论描述核力。目前，手征核力已实现对核子散射数据的高精度描述，并被广泛应用于核物理领域。一方面，由于QCD的两大特性——渐近自由与色禁闭，手征有效场论将色单态的强子（核子以及π介子）作为相互作用的基本自由度。另一方面，高能区相互作用的细节被吸收到低能常数中。由于核子和π介子都不是点粒子，因此有必要考虑它们的内部结构，即从夸克层次对核力展开研究。手征夸克模型通过引入单胶子交换以描述短程相互作用，定性描述了核力的基本性质。值得一提的是，格点QCD基于夸克-胶子自由度在离散时空中研究强相互作用，于2007年首次得到了核子-核子S波相互作用的基本形式[1]。

2. 质子、中子是基本粒子吗？

到目前为止，人们发现最稳定的粒子是质子，但是质子和中子是否具有内部结构呢？最早证实质子和中子具有内部结构的实验观测量是反常磁矩。实验测得质子和中子的磁矩分别为2.79和−1.91个核磁子，而狄拉克方程中自旋为1/2的点粒子的磁矩为2个核磁子，数值上有很大的偏差。核子的反常磁矩说明核子不是点粒子，而是具有内部结构的复合粒子。

人类探究物质深层次结构的主要方法是散射，例如，以电子作为探针探究质子内部结构，即著名的电子-质子弹性散射实验。电子-质子弹性散射过程实际是电子经过加速辐射出虚光子，虚光子与质子发生相互作用的过程。可通过观测末态电子或者强子的分布情况反推核子的结构性质，如图1所示。通过电子-质子弹性散射实验发现质子是一个直径约为1fm的粒子，即质子不是点粒子。

图1 电子-质子弹性散射过程

进一步，通过电子-质子深度非弹性散射实验发现，质子是由点状部分子组成的，部分子包括夸克和胶子。在部分子模型中，质子所有的可相加量子数，如动量、质量、自旋等，都应该是这些部分子量子数之和。通过测量部分子动量，人们发现质子内夸克和反夸克携带的动量只占质子动量的一半，因此，人们相信质子内部还存在胶子。20世纪80年代，欧洲核子研究中心EMC合作组发现夸克和反夸克的自旋对质子自旋的贡献之和几乎为0，由此引发了核子的“质子自旋危机”。经过多年的努力，人们发现核子自旋来自夸克自旋、胶子自旋以及夸克、胶子的轨道角动量。实验表明，夸克自旋约占核子自旋的25%。目前，质子的自旋之谜仍在研究中，但可以肯定的是，质子和中子不是基本粒子。

核子的内部结构

1. 组分夸克模型的提出

目前普遍认为核子是由价夸克和胶子组成的，但神奇的是，核子的很多性质（如自旋、宇称、质量和磁矩）可以唯象地通过3个组分夸克解释。组分夸克不同于价夸克，其质量要比价夸克的质量大很多。组分夸克模型由盖尔曼和茨威格于1964年正式提出。

组分夸克模型的提出与核子内部结构研究的相关性不大。组分夸克模型提出的背景是1960年前后，人们在世界各地的高能加速器上发现了很多强子，对它们的分类成为一个难题。1964年，盖尔曼通过SU(3)群将基态强子分为介子八重态、重子八重态和十重态，并且成功地预言了Ω重子，因而获得了1969年诺贝尔物理学奖。盖尔曼认为基态强子由3种夸克组成，夸克自旋为1/2，所带电荷为电子电荷的1/3或者2/3。其中，分数电荷的预言成为该理论面临的最大障碍。由于当时没有带有分数电荷的自由粒子存在的证据，甚至连盖尔曼本人都一度认为夸克只是一个数学符号，直到深度非弹性散射实验使人们意识到夸克的存在。组分夸克模型奠定了SU(3)对称性的物理学基础，使得奇异数以及同位旋这些概念有了更深刻的意义，它的提出在物理学发展史中具有里程碑意义。

2. 强相互作用的基本理论QCD的提出

深度非弹性散射实验以及组分夸克模型都说明夸克是强子的基本组成单元，相应地，探究夸克之间的相互作用成为研究的主要课题。学者们在研究强子的统计性质时引入了颜色自由度，即假定每种特定的夸克具有3种颜色，这是一种新的内禀自由度。夸克之间的相互作用通过传递胶子产生。颜色自由度的引入也得到了实验的证实，如正负电子对撞中R值的测量。借鉴电磁相互作用的机制，类比电荷引入色荷，强相互作用通过色荷产生。描述强相互作用的理论被称为QCD。强相互作用具有一个非常重要的特性——渐近自由，由格罗斯、波利策以及威尔切克发现。他们发现夸克之间的相互作用在距离增大、动量减小时变强。强相互作用具有非微扰特性，这使得强相互作用异常复杂。当夸克之间的距离变大，强相互作用的耦合常数也逐渐变大，耦合强度趋向于无穷大。这意味着夸克之间的相互作用使得一对夸克不能分开，即夸克是“色禁闭”的，这是QCD的另一个特性。QCD的色禁闭至今没有在数学上得到严格的证明，但是格点QCD的计算表明夸克是色禁闭的。当夸克之间的距离变大，即能量标度接近QCD能量标度时，微扰论不再有效，必须通过非微扰方法替代QCD。低能强子物理和核物理正是处于这样的能量标度，手征微扰理论成为处理低能QCD非常有效的理论。1973年，格罗斯、波利策和威尔切克分别发表论文提议，SU(3)色规范群下的非阿贝尔规范场可以作为强相互作用的量子场，从而建立了QCD理论。

3. 标准模型

QCD与格拉肖-温伯格-萨拉姆模型是构成基本粒子标准模型的基础。在标准模型中，构成物质的费米子是夸克（u、d、s、c、b、t）和轻子（e、µ、τ）。其中，夸克还存在反粒子，每个夸克有3种颜色自由度，共有36种夸克。轻子包含相应的中微子及其反粒子，共有12种轻子。在标准模型中，玻色子是传递相互作用的载体，传递电磁相互作用的是光子，传递弱相互作用的玻色子有3种（W+、W−、Z），传递强相互作用的胶子有8种。还有分别赋予夸克和轻子质量的希格斯（Higgs）粒子。综上，标准模型中共有61种基本粒子。

标准模型是描述强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的规范模型，它的规范群是SU(3)C⊗SU(2)L⊗U(1)Y。其中，SU(3)C群作用在夸克的颜色自由度上，负责产生强相互作用；SU(2)L和U(1)Y分别与弱同位旋和弱超荷相联系，产生弱相互作用和电磁相互作用。Higgs粒子的非零真空期望值使得电弱对称性SU(2)L和U(1)Y自发破缺到U(1)EM，这样通过Higgs场与规范场的耦合使得玻色子获得质量，而光子的质量是0。Higgs场的Yukawa耦合使得夸克和带电轻子也获得质量。相应的标准模型的拉氏量包含3个部分：规范场自耦合相互作用以及规范场与费米场之间的相互作用，Higgs场之间的相互作用以及Higgs场与规范场之间的相互作用，Higgs场与费米场的Yukawa相互作用。尽管通过标准模型可以描述绝大部分物理现象，但是它并不是终极理论，如暗物质和暗能量在标准模型中没有有效的候选者、宇宙中正反物质CP不对称性等，这些都不能用标准模型解释。

传统夸克模型、新强子态的发现

除了由上、下、奇异夸克组成的强子，实验中还发现了由粲夸克和底夸克组成的强子。在已发现的强子中，粲偶素的数量是最多的，因此粲偶素成为研究强相互作用非常好的载体。组分夸克模型也可以自然地被应用到粲偶素能谱的研究中。根据QCD，夸克之间的相互作用可以唯象地分为两部分——库仑势和线性势，即著名的康奈尔势能，它可以成功地描述基态粲偶素和底偶素的能谱。为了描述粲偶素的能谱，著名的Goldfrey-Isgur（G-I）模型被提出，其考虑了自旋-自旋相互作用、自旋-轨道相互作用以及张量势，不仅能很好地描述大部分粲偶素能谱，而且可以描述由其他味道夸克所组成的强子的能谱，成为研究强子能谱的重要实验参考。

夸克模型成功地解释了重子八重态的磁矩，基于夸克模型得到的磁矩非常接近实验值。夸克模型可以很好地解释强子的强衰变，如著名的3P0模型解释了大部分强子强衰变到末态为两个强子的过程。3P0模型认为强子的强衰变是由真空中激发的一对正反夸克与组成初始强子的夸克重组形成一对新的强子的过程。夸克模型也被用来研究强子的辐射衰变以及弱衰变过程，对认识强子的内部结构起到了非常重要的作用。

世界上大型对撞机的运行为研究强子提供了新的机遇，实验中发现了一些具有里程碑意义的奇特强子态。比如，2003年，日本的Belle 实验室首次发现的类粲偶素X(3872)是最早被发现也是最重要的奇特强子态之一。X(3872)的命名表明物理学家对于它的内部结构还不太清楚，括号里的数字代表它的质量为3872MeV。2007年，Belle合作组首次发现由4个夸克构成的态，即四夸克态的候选者；2015年，LHCb合作组首次发现由5个夸克组成的态，即五夸克态的候选者。

奇特强子态的内部组成

1. 奇特强子态的各种理论解释

奇特强子态的发现对于我们认识夸克层次的物质组成具有重要的意义，同时也为我们提供了研究强相互作用细节的路径，引起了理论物理学家的极大兴趣。针对奇特强子态，理论上通常从质量（谱）、衰变等角度展开研究。研究奇特强子态的理论主要有唯象模型、格点QCD以及有效场论等[2]。

唯象模型从两个层次研究奇特强子态：夸克层次和强子层次。夸克层次的模型主要为势模型。人们根据强子的可能组成，构造相互作用，得到强子的可观测量，最后通过对比实验数据，判别奇特强子态的内部组成。夸克层次的方法还有QCD求和规则。人们通过组分夸克构造相应的流，对强子的可观测量进行计算，通过对比实验数据来判断哪种夸克组分是最有可能存在的。势模型和QCD求和规则分别是在坐标空间和动量空间研究奇特强子态的有效手段。

格点QCD是利用大规模数值计算研究QCD理论的非微扰求解方法,是从第一性原理出发研究非微扰强相互作用的重要方法之一。近年来随着计算机技术的快速发展、相关算法和理论的不断突破，格点QCD在强相互作用研究中发挥了重要的作用。格点QCD的基本思想是将QCD定义在有限大小、离散的欧氏空间，利用场论的路径积分形式，计算得到强相互作用的相关物理量。目前，格点QCD在奇特强子态的研究中得到了广泛应用。

有效场论是处理非微扰强相互作用的有效理论。有效场论通常根据所研究系统的对称性及对称破缺情况，构造相应的小量，然后对小量进行微扰展开，得到符合计阶规则的势能[3]。手征对称性及其破缺对应的小量是mπ/4πfπ（mπ为π介子质量，fπ是π介子衰变常数），以此为基础构建手征微扰理论。重夸克自旋对称性对应的小量是ΛQCD/mQ（ΛQCD是QCD能标，mQ是重夸克质量）,相应的理论是重夸克有效理论。有效场论根据计算所需的精度选择相应的阶数，从而系统地估计理论误差。由于有效场论中有若干未知的低能常数，通常通过实验数据拟合以确定常数。由于有效场论可以和格点QCD联系起来，可以通过拟合格点QCD数据确定有效场论中未知的低能常数。

对于奇特强子态的理论解释涉及强子分子态、混合态、紧致多夸克态以及运动学效应等。混合态指的是几种不同成分混合形成的态，如强子分子态和传统介子/重子混合形成的态。紧致多夸克态是系统中带颜色的双夸克通过色磁相互作用形成的色单态。运动学效应指的是实验上看到了一些共振峰，这些峰是强子衰变过程中三角图机制引起的异常增大现象，不是一个真实存在的粒子。

2. 奇特强子态的分子态图像

很多奇特强子态位于一对传统强子的阈值附近，看起来与真实的物理态之间有很强的耦合，以至于被看作由传统强子组成的分子态，这种构型是QCD理论允许存在的。氘核是由两个核子形成的束缚态，是实验上唯一确认的强子分子态。在奇特强子态中还没有被实验完全确认的强子分子态，因此氘核被称为强子分子态候选者。接下来用一个简明的图像把奇特强子态与强子分子态建立联系，以P波激发态的粲偶素为例，从量子数守恒角度，P波等效于一对正反轻夸克，将P波替换为一对正反轻夸克，然后将一对正反轻夸克与原有的一对正反粲夸克进行重组，就会得到一对粲介子，即P波激发态的粲偶素有可能是一对粲介子形成的分子态。用类似的图像，D波/S波等效于两对正反轻夸克，可以得出D波/S波激发态的粲偶素可能的三种分子态构型：三体强子态、重子-反重子态或两体强子态。接下来针对目前实验上的两类奇特强子态，从分子态角度展开介绍。

第一类是奇特的介子/重子，最著名的是X(3872)，其质量非常接近一对粲介子DD*的质量阈值，可以在分子态框架下利用很多模型解释它的质量，这是它被称为强子分子态候选者的原因之一。另外，X(3872)的衰变分支比揭示了很大的同位旋破缺现象，很难在传统粲偶素框架下理解这一现象，分子态图像可以解释这个分支比。此外，X(3872)的衰变宽度非常窄，符合分子态的特征，因此X(3872)是一个很好的强子分子态候选者。根据温伯格提出的Compositeness规则，在X(3872)中可能存在其他构型，如紧致四夸克态（由色磁相互作用主导）等，原则上以分子态为探针可以探究所有奇特强子态的性质，因此分子态图像是目前研究奇特强子态性质非常有效的一种图像。

第二类是多夸克态，以隐粲五夸克态为例。欧洲的大型强子对撞机发现了4个五夸克态：Pc (4312)（下标c代表粲夸克）、Pc (4380)、Pc (4440)和Pc (4457)，它们的质量接近的质量阈值，并且衰变宽度比较窄，是强子分子态的候选者。我们通过有效场论和单玻色子交换的方法将它们解释为强子分子态[4-5]，并且预言了存在其他的重夸克自旋对称性伙伴态，得到了一个完整的重夸克自旋对称性下的强子分子态多重态，如图2所示，这个图像得到了进一步研究证据的支持。一旦实验中发现其他几个伙伴态，五夸克态的分子态属性即被证实。

由于耦合道效应在强子-强子相互作用中比较明显，因此强子分子态相对氘核来说，动力学机制比较复杂，理论研究更困难。强子分子态作为一种可能的QCD构型，已经确认它的存在对于理解物质的基本组成以及强相互作用的非微扰效应具有重要意义。为了确定强子分子态的构型，通常有两种思路，一种是寻找新的物理可观测量，其必须在分子态构型或其他构型下有非常明显的差异；另一种是基于一些模型无关的方法提升理论精度，比如基于对称性预言强子分子态伙伴态，寻找实验伙伴态粒子，能检验实验中已经发现的奇特强子态的分子态本质，是一种模型无关的方法。此外，还有一种模型无关的方法是通过实验寻找与两体分子态相关的三体强子分子态候选者，将在下节详细阐述。

图2 强子分子态多重态

是否存在其他的类原子核物质？

核力将不同数目的质子与中子束缚成原子核，原子核与电子构成原子，最终形成可见宇宙。那么，自然界是否还存在由其他的色单态集团构成的类原子核物质？Λ(1405)作为的分子态被发现以后，理论物理学家开始探索是否存在类原子核物质。最近，研究人员基于精确的计算发现类原子核物质是存在的，并且被实验证实。可以以奇特强子态为基础，探索是否存在相应的少体强子分子态，这是一个非常有趣且有意义的工作。研究三体强子分子态不仅有助于寻找新的类原子核物质，而且有助于揭示奇特强子态的本质，加深我们对于强子层次物质的组成以及非微扰强相互作用的认识。

我们以奇特强子态候选者Ds0 (2317)（下标s代表奇异夸克）为基础，在DK系统中加入另一个D介子，研究了DDK三体系统。DK相互作用通过拟合Ds0 (2317)确定，而DD相互作用通过单玻色子交换模型确定。通过求解三体薛定谔方程，我们发现这个三体系统是束缚的，并且DK相互作用起主导作用，DD相互作用的影响很小，即，如果Ds0 (2317)是DK分子态，则意味着存在一个DDK的三体强子分子态[6]。反过来，如果这个三体强子分子态被实验证实，Ds0 (2317)的分子态属性也被证实。由于DDK分子态具有显粲量子数，因此它在正负电子对撞中很难产生，为此我们研究了隐粲的三体系统，发现同样存在一个分子态[7]。通过研究各种雅可比道的占比，我们发现Ds0 (2317)也是形成分子态的关键，即通过分子态可以检验Ds0 (2317)的分子态属性。分子态可以衰变到粲偶素，有利于在实验中寻找奇特强子态。基于五夸克态的分子态解释，我们在分子态中加入一个介子，可以形成一个三体系统。研究发现，这个三体系统是束缚的，分子态的最小夸克组分为5，该系统可以看作五夸克态Pcs的激发态[8]。最近，假设Tcc为的分子态，我们预言了这一分子态，其具有显粲量子数[9]。对这些类原子核物质的研究不仅将加深我们对物质基本组成的认识，同时也有助于检验奇特强子态的分子态本质。近期，我们对三体强子分子态的产生机制以及可能的衰变道开展了系统研究，希望为实验中寻找三体强子分子态提供理论指导[10]。

结语

自2003年以来，人们在世界各大加速器上发现了很多奇特强子态，它们为我们研究非微扰强相互作用带来了重要的机遇。目前实验中已经发现了四夸克态、五夸克态等，但是还没有六夸克态的信号，寻找六夸克态已经成为实验中非常重要的目标。根据目前对于奇特强子态的研究，六夸克态在强子层次会有3种可能的组态，即三体介子、双重子、紧致四夸克态与介子，因此，针对六夸克态的研究将会更加丰富。目前实验中的很多奇特强子态可以作为强子分子态候选者，对称性在强子分子态的研究中起到了重要的作用。未来通过研究奇特强子态的对称性伙伴态，也将进一步检验奇特强子态的分子态属性。我们有理由相信，如果两体强子分子态存在，则三体强子分子态也应该存在。类原子核物质将丰富物质世界的基本组成，同时也将帮助我们进一步认识强相互作用。三体强子分子态的存在与否将为检验奇特强子态的分子态构型假设提供关键判据，因此研究三体强子分子态具有重要的意义。

参考文献

[1] ISHII N, AOKI S, HATSUDA T. Nuclear force from lattice QCD[J]. Physical Review Letters, 2007, 99（2）: 022001.

[2] GUO F K, HANHART C, MEISSNER U G, et al. Hadronic molecules[J]. Reviews of Modern Physics, 2018, 90(1): 15004.

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