欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）上的紧凑缪子螺线管（CMS）合作组首次测量了一类新发现的、全部由粲夸克构成的“全粲四夸克”粒子的量子性质。这一成果有助于深入理解强核力——这种力将质子和中子束缚在原子核内，也是普通物质得以形成的基础。
近年来，LHC已经发现了数十种由夸克通过强相互作用结合而成的重粒子，即强子。夸克共有六种类型：上、下、粲、奇异、顶和底。大多数已观测到的强子由两个或三个夸克组成，分别称为介子和重子。科学家还观测到了一些由四个或五个夸克组成的奇特强子，即四夸克和五夸克。目前已发现的大多数此类粒子通常包含一个粲夸克及其反粒子（粲反夸克），其余两到三个夸克为上、下或奇异夸克，或其反粒子。
研究并识别这些奇特强子有助于物理学家更深入了解强相互作用如何将夸克束缚在一起，而这种作用也正是维系原子核中质子和中子的力量。不过，关于这些奇特强子的本质，学界仍存在分歧。一些理论模型认为，这些粒子中的夸克是通过强作用紧密束缚在一起的，从而形成致密结构；另一些则认为夸克之间的结合较为松散。更有证据显示，在某些奇特强子中，夸克可能同时存在紧致与松散结合的情况。
CMS合作组的最新研究结果表明，全粲四夸克可能是紧密束缚的，但并未完全排除其他可能性。该团队研究了LHC上通过高能质子对撞产生的三种全粲四夸克态，分别是X(6900)、X(6600)和X(7100)，数字代表它们的质量，单位为百万电子伏特（MeV）。研究人员测量了这些粒子的基本量子性质，包括宇称（P）、电荷共轭（C）、角动量以及自旋（J）。这些量子数可以揭示四夸克的内部结构。
研究采用了被称为“角分布分析”的技术，类似于用于描述希格斯玻色子性质的方法。该技术重点分析四夸克衰变产物的出射角度。CMS团队成员、来自意大利国家核物理研究院（INFN）都灵分院的Chiara Mariotti解释说：“我们称这一技术为量子态层析成像。通过分析四夸克衰变过程X → J/ψJ/ψ，以及随后J/ψ衰变为两个μ子过程中的角分布，我们可以推断出这一奇特态的量子态，特别是两个J/ψ粒子的极化状态。”
该团队分析了2016至2018年间CMS实验中产生的全粲四夸克，计算得出这些粒子的自旋J很可能为2，宇称P和电荷共轭C均为+1，整体量子数表示为2++。英国华威大学的粒子物理学家Timothy Gershon（未参与此项研究）表示：“这一结果支持所有四个夸克紧密束缚的模型。然而，问题并未完全解决。CMS分析的样本量尚不足以完全排除其他可能性，此外，分析中还做出了一些需要未来进一步验证的假设。”他提到的假设包括：假定这三种状态具有相同的量子数，且它们都对应于四夸克衰变为两个J/ψ介子，没有额外未被重建的粒子（例如衰变过程中可能辐射出的光子）。
Gershon补充道：“有必要利用更大样本进行进一步研究。幸运的是，CMS、LHCb和ATLAS合作组（均位于CERN）目前已有更多数据在手，因此我们不必等待太久就能看到更新结果。”事实上，CMS合作组正在收集更多数据，并探索这些奇特四夸克的其它衰变模式。Mariotti表示：“这将最终加深我们对物质形成的理解，进而有助于完善关于普通物质如何产生的理论。”
