埃塔介子工厂——低能希格斯工厂

粒子有质量，世界有能量。

—— [美] 弗兰克·维尔切克

粒子物理和核物理的研究开始进入一个高精度测量时代。

在过去的几年里，粒子物理学标准模型不完整的证据变得越来越明显，实验物理学家们正在积极谋划有助于揭示新物理学的新实验。

对低能区强相互作用性质和质量起源问题的定量理解，仍然是当代粒子物理学的最具挑战的问题之一。而对低能量子色动力学(QCD)对称性的研究，有望加深我们对这类问题的理解。

低能QCD对称性最清晰的表现是在质量比较轻的介子多重态π0、η(埃塔介子)和η′(埃塔撇介子)（图1）。该系统包含了手征对称性自发破缺和轴反常等。对π0、η和η′系统的精确测量，毫无疑问地将会对人类认识微观世界的基本规律产生深远的影响。

图1. π0、η和η′系统，包含了手征对称性自发破缺和轴反常等低能QCD中胶子动力学的探针信息。图源|《原子核物理评论》

基于这样的背景，世界各国粒子物理和核物理科学家们审时度势，正在谋划建设η介子工厂。

建设η介子工厂的重要意义是什么？什么是η介子？我国是否具有建设η介子工厂的可能性？下文中，我们将一一进行介绍。

手征对称性及其破缺

对称性普遍存在于自然界中，是现代物理学中的核心概念之一。如果对称性破缺，往往蕴含着新物理。

分别在1960年和1961年，日裔美籍理论物理学家南部阳一郎和我国著名理论物理学家周光召各自独立地得出结论：手征对称性自发破缺了。这种对称性是一种整体规范对称性，不是局域规范的。根据戈德斯通定理，当连续对称性自发破缺后必然会生成一种无质量的玻色子，称为戈德斯通玻色子。他们把π看成是戈德斯通玻色子。

图2. 日裔美籍理论物理学家南部阳一郎(Yoichiro Nambu)。南部由于发现亚原子领域的自发对称性破缺机制而获得2008年诺贝尔物理学奖。图源|wikipedia

图3. 周光召。图源|chinaculture

在低能区域，QCD有两个非常重要的特征：手征对称性自发破缺和色禁闭。大量实验和理论研究表明，手征对称性自发破缺对于理解低能强相互作用十分重要。在粒子物理学里，如果夸克的质量为零（这被称为“手征极限”），则手征对称性成立。但是，夸克的实际质量虽然很小但不为零，可以看作是一种“近似对称性”，实际上这里手征对称性“明显”破缺了。

对称性自发破缺的概念是希格斯机制的理论基础。1964年，英国物理学家希格斯等人提出：希格斯场通过对称性自发破缺获得质量，而规范玻色子（W和Z玻色子）和夸克轻子通过和希格斯场耦合获得质量。这就是所谓的希格斯机制。其预言的希格斯粒子已于2012年在实验上被发现。

手征对称性自发破缺还与质子、介子的质量来源密切相关。质子内部，由希格斯机制产生的三个夸克的总质量大约占质子质量的1%；其余约99%的质量来自于凝聚在流夸克周围的胶子场的质量。

由于夸克凝聚，π、K和η等介子的质量与自发手征对称性破缺紧密相联。关于夸克凝聚，有一个Gell-Mann–Oakes–Renner (GMOR)关系，其中一个重要的参数-衰变常数（是表征手征对称性破缺的强度的一个物理量），可以通过π、K和η等介子的衰变来测量确定。另外，η′介子的质量来源还和轴反常有关。

这么说来，几乎没有质量的基本粒子——夸克和胶子组成的强子，主要通过对称性自发破缺(希格斯机制也是基于对称性自发破缺)而获得质量。对此，美国物理学家惠勒作了精辟的总结：mass without mass(没有质量的质量)。

因此，为了理解物质的质量来源，对手征对称性自发破缺和轴反常的研究就非常有必要了！

在实验上如何研究呢？手征对称性破缺在π介子和K介子系统的研究已经比较多了。现在，是该扩展到和π介子和K介子有着相同自旋及宇称的η介子系统的时候了。

η介子工厂应运而生。

独一无二的η介子

什么是η介子？

η介子由上夸克、下夸克和奇异夸克及其反夸克混合而成，是由Pevsner等人于1961年在实验中发现的。η介子的质量是547 MeV,寿命是一万亿亿分之二秒。

η介子（图4）在粒子宇宙中几乎是独一无二的，它是戈德斯通玻色子，同时，η介子是全零量子数的粒子，这使得它与真空或希格斯玻色子相同（除了宇称）。所以，有人称η介子工厂为“低能希格斯工厂”。

η介子的特殊性质引起了科学家们的好奇，对η介子精确的实验和理论研究，将有助于我们理解低能QCD手征对称性及其破缺机制。

图4. η是一种特别类型的粒子，由正反上夸克对、正反下夸克对和奇异夸克对以1：1：4概率混合而成的介子，同时是一种戈德斯通玻色子。图|寇维

η介子主要衰变到两个光子或者三个π介子。不过，我们最感兴趣的是η的各种稀有衰变，有些衰变分支比很小，小到只有亿分之一甚至千亿分之一。为此，只有产生高统计量的η介子，才有可能探测到这么低的衰变模式。

η介子工厂的黄金物理目标

目前，世界各国科学家正在提议η介子工厂计划。

科学家们建议使用2.0 GeV以上能量的质子束流打固定靶，产生高统计量的η和η′介子，期望每年能收集超过10万亿个以上的η介子。这样的η介子工厂，可以在一个小时内产生目前世界上所有η和η′介子实验数据。

如此高统计数据足以研究自然界一些基本的时空对称性，可以测量到衰变分支比小到百亿分之一的稀有衰变过程，以及搜索超出标准模型的新粒子。

科学家们正在考虑五个可能适合建设η介子工厂的地方，它们分别是(排名不分先后)：美国费米实验室(Fermilab)和布鲁克海文实验室(BNL)、德国重离子研究中心(GSI)、欧洲核子中心(CERN)和中科院近代物理研究所。

由中科院近代物理研究所负责建造的强流重离子加速器装置(HIAF)第一期计划在2025年左右建成（图5）。和其它四个实验室的加速器相比，HIAF的优势是：1）能量适合；2）流强满足要求。建成后，HIAF能够提供的质子束流能量高达9GeV，设计一个合适的固定靶，再配以高精度的探测系统，即可满足科学家们对η介子工厂的需求。

图5. 正在广东惠州建设的HIAF装置（设计效果图）。

利用η介子工厂，科学家们可以在许多粒子物理和核物理实验中进行高精度的测量，从而可以研究一系列具有重要意义的物理问题，这里仅列举若干：

1. 对π0、η和η′系统的高精度测量将会促进我们理解以下内容：精确地检测手征反常，通过模型无关的方法确定轻夸克质量的比值、η和η′的混合角，认识η′的戈德斯通玻色子本质，提取这些介子的电磁半径大小。这将有助于我们理解低能量下的QCD对称性结构以及QCD对称性破缺的来源和动力学。

2. η介子工厂将给出一系列高精度的η稀有和禁迁衰变的分支比和上限，提供检测QCD时空基本对称性的灵敏探针，如：电荷共轭对称性C、宇称P、时间反演对称性T以及CP和CPT对称性等。

3. 利用其高统计量的数据，η介子工厂可为在实验上寻找GeV范围的新粒子和新的相互作用力提供非常好的机会。

4. η介子工厂可通过降低电磁跃迁形状因子测量误差，提高缪子的反常磁矩测量精度。

总之，η介子工厂现在正逢一个非常合适的时间窗口，有望作出一批有重大物理意义的成果，将为我们提供一个非常好的理解标准模型低能性质和探索超出标准模型新物理的机会(图6)。

图6. η介子工厂的四个黄金物理目标。图 | 陈旭荣

展望

世界上基于高功率质子加速器的η介子工厂实验研究刚刚起步，并被寄予厚望。 η介子工厂将为研究手征对称性、轴反常、基本时空对称性和电弱相互作用性质、寻找新相互作用力和新粒子提供一个前所未有的机遇。

如果我国依托HIAF建造η介子工厂，将为我们开启一扇通往低能强相互作用物理研究的新时代的大门，将为我国核物理基础研究和QCD理论研究提供新的动力。

致谢：感谢王凡教授、淦丽萍教授和郭奉坤研究员审阅本文并提出宝贵建议，感谢与近代物理所加速器技术中心同事们的有益讨论，感谢刘芳女士和寇维博士在写作过程中提供的帮助。

参考文献：

1. 弗兰克·维尔切克，奇妙的现实，2017；存在之轻，2021

2. 淦丽萍等，电子-质子对撞机上的Primakoff 物理，原子核物理评论，2014 年12 月

3. 赵红卫等，惠州加速器集群装置及其未来发展，中国科学: 物理学力学天文学2020 年第50 卷第11 期。

4. Liping Gan，et al，arXiv:2007.00664v1.

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