大型强子对撞机（LHC）迄今为止已经发现了76种新粒子，包括希格斯玻色子、52种常规强子和23种奇异强子。这些奇异强子的结构复杂，无法用现有理论可靠地解释或预测，代表了强相互作用的奇特产物。

就像电荷在原子中形成中性状态一样，强相互作用的色荷也形成无色复合态。作为具有色荷的基本粒子，夸克（q）和胶子（g）不能独立存在，只能存在于称为强子的无色复合态中。自1947年发现π介子以来，丰富的介子（qq）和重子（qqq）现象激发了夸克模型，并最终形成了量子色动力学（QCD）理论，该理论至今仍是强相互作用的完美描述。

但是，为什么自然界中不应该存在四夸克（qqqq）、五夸克（qqqqq）、六夸克（qqqqqq或qqqqqq）、混合强子（qqg或qqgg）和胶球（gg或ggg）等奇异的无色组合呢？

奇异强子的存在几十年来一直存在争议，但在21世纪初，随着观察到具有意想不到特征的新状态，人们对此越来越感兴趣。2003年，SLAC的BaBar实验发现了D*s0(2317)+介子，其质量接近D介子和K介子的质量之和。同年几个月后，Belle发现了χc1(3872)介子（当时称为X(3872)），其质量接近D0介子和D*0介子的质量之和。除了它们与介子-介子阈值的惊人接近之外，它们的信号“宽度”也比预期的要窄得多。（以能量单位衡量，这种宽度与粒子寿命成反比。）

此后不久，在2007年，观察到了一些其他的类粲夸克偶素和类底夸克偶素态。Belle在2007年观察到带电的类粲夸克偶素态Z(4430)+（现在称为Tcc1(4430)+）是理论上存在QCD奇异态的先驱。尽管这些态表现出是粲夸克-反粲夸克（cc）体系激发的迹象，但它们的净电荷表明该体系不能仅由夸克-反夸克对组成，因为粒子与反粒子具有相反的电荷。必须存在两个额外的夸克。

LHC的奇异态

LHC的启动开辟了道路，迄今为止在那里观察到了23种新的奇异强子。新状态的收获始于2013年秋季，当时LHC上的CMS实验在B+→J/ψφK+衰变中报告了在J/ψφ质量谱中观察到χc1(4140)态，证实了费米实验室CDF实验的暗示。它最小的夸克含量可能是ccss。CMS还报告了在更高质量下存在一个状态的证据，LHCb实验在2016年将其观察为χc1(4274)，以及在4500和4700 MeV质量下观察到另外两个状态。

在2021年对相同B+→J/ψφK+衰变模式的分析中，包括LHC运行2数据，LHCb报告了另外两个中性态χc1(4685)和X(4630)，它们与夸克模型预期的cc态不对应。该分析还报告了在J/ψK+质量谱中看到的另外两个共振，Tccs1(4000)+和Tccs1(4220)+。这些类粲夸克偶素态带有电荷和奇异性，显然是奇异的，最小夸克含量为ccus。

对于Tccs1(4000)+，LHCb拥有足够的数据来生成具有共振明显特征的阿根图（见“圆形共振”面板）。一个可能的同位旋伙伴Tccs1(4000)0后来在B0→J/ψφK0s衰变中被发现，进一步证明它是一个共振，而不是一个运动学特征。（根据QCD的近似对称性，强相互作用应该几乎完全相同地对待ccus态和ccds态，因为向上和向下夸克具有相同的色荷和相似的质量。）LHCb后来在χc0(3960)→D+sD–s和χc1(4010)→D*+D–衰变中看到了其他的类粲夸克偶素四夸克。

世界上第一个五夸克是由LHCb于2015年发现的。通过研究Λ0b→J/ψpK–衰变，在J/ψp谱中出现了两个五夸克：Pcc(4380)+，一个相当宽的共振，宽度为200 MeV；以及Pcc(4450)+，它在40 MeV处更窄。观察到的衰变模式暗示了最小的夸克含量ccuud，排除了任何传统的解释。

这些状态一直隐藏在显眼处：它们被几位LHCb物理学家独立发现，包括一位CERN暑期学生。在2019年使用更多数据的分析中，较重的状态被识别为现在称为Pcc(4440)+和Pcc(4457)+的两个重叠的五夸克的总和。在4312 MeV的质量下也看到了另一个窄态。LHCb在2022年在B–→J/ψΛp衰变中观察到了第一个奇异五夸克，其夸克含量为ccuds。

其他的奇异强子紧随其后，LHCb、CMS和ATLAS在J/ψJ/ψ谱中观察到了两个奇异强子Tcccc(6600)和Tcccc(6900)。它们可以解释为由两个粲夸克和两个反粲夸克组成的四夸克——一个完全粲化的四夸克。当两个J/ψ介子都衰变成一对μ子时，最终状态由四个μ子组成，这使得LHCb、ATLAS和CMS实验能够在多个接受区域和横向动量范围内研究最终谱。这些态不包含任何轻夸克，这简化了它们的理论研究，同时也暗示了一个可能具有较长寿命的包含四个底夸克的态。

双粲夸克

世界上第一个双开粲介子是由LHCb在2021年发现的：Tcc(3875)+。由于其粲数为2，因此无法容纳在传统的qq方案中。奇异的Tcc(3875)+(ccud)与Belle在2003年发现的类粲夸克偶素（类cc）χc1(3872)介子之间存在着有趣的相似之处，其本质仍然存在争议。两者具有相似的质量和非常窄的宽度。关于它们的解释，目前还没有定论（见“五夸克和四夸克内部”）。

Tcc(3875)+(ccud)介子的发现也暗示了Tbb态的存在，其夸克含量为bbud，除了弱衰变之外，它应该是稳定的。观察第一个长寿命的奇异态，具有一定的飞行距离，是未来实验的一个有趣目标。在HL-LHC上，对远离相互作用点的B+c介子的搜索可能会返回Tbb四夸克的第一个证据，因为弱衰变的双重美强子（如Ξbbq和Tbb）的衰变是它们唯一已知的来源。

圆形共振

当质心能量与粒子的质量匹配时，粒子最有可能在碰撞中产生。新粒子的平均寿命越长，其衰变时间的不确定性就越大，并且根据海森堡不确定性原理，其能量的不确定性就越小。此类粒子在其能谱中具有窄峰。快速衰变的粒子具有宽峰。搜索此类“共振”可以揭示新的粒子——但峰值可能是具有欺骗性的。更具启发性的分析拟合微分衰变率以测量描述粒子产生的复量子幅度A(s)。随着能量（√s）的增加，幅度在复平面上逆时针跟踪一个圆，幅度的模数跟踪在能谱中观察到的经典共振峰（见上图左）。

正如LHCb在2021年对Tccs1(4000)+介子所做的那样（上图中），证明了这种行为是一项重大的实验成就，该合作组织也在2018年对Belle在2007年发现的先驱Z(4430)+（Tcc1(4430)+）介子进行了同样的操作（上图右边的黑点）。LHCb的测量证实了它的共振特性，并解决了关于它是否为真正的奇异态的任何争议。模拟的蓝色测量说明了在HL-LHC上使用升级的探测器和增加统计数据，此类测量可以获得的改进。

QCD还预测了其他一些奇异态，但它们在粒子动物园中仍然缺失，例如介子-胶子混合态和胶球。混合介子可以通过qq方案不允许的奇异自旋-宇称（JP）量子数来识别。胶球可以在富含胶子的重离子碰撞中观察到。BESIII合作组织最近观察到一个潜在的候选者，它是奇异谱学中的另一个主要参与者。

奇异强子甚至可能在轻夸克扇区被观察到，而没有被寻找。标量介子太多，无法适应传统的夸克模型，其中一些，例如f0(980)和a0(980)介子，可能是四夸克。奇异的轻五夸克也可能存在。20年前，θ+重子引起了相当大的兴奋，因为它显然是公开的奇异的，具有正奇异性和最小的夸克含量uudds。不少于10个不同的实验都提供了证据，其中一些实验引用了5σ的显著性，然后它在具有更好背景扣除的更大数据样本的盲分析中消失了（CERN Courier 2004年4月，第29页）。它的故事现在已成为科学史家的素材，但它的解释引发了许多至今仍有用的理论论文。

理解夸克如何在奇异强子内部结合的挑战是强子谱学中最大的悬而未决的问题。模型包括由范德瓦尔斯式力（强子夸克偶素）束缚到重qq核心的轻夸克和胶子云；由剩余核力结合的颜色单态强子（强子分子）；以及由二夸克[qq]和反二夸克[qq]组成的紧凑四夸克[qq][qq]和五夸克[qq][qq]q，它们分别伪装成反夸克和夸克。

一些奇异强子也可能被误解为共振态，而实际上它们是“阈值尖峰”——由再散射引起的增强。例如，在Λ0b→J/ψpK–衰变中看到的Pcc(4457)+五夸克实际上可能是Λ0b→Λc(2595)+D0K–中D0和Λc(2595)+衰变产物之间的再散射，以交换一个粲夸克并形成J/ψp体系。可以通过搜索额外的衰变模式和同位旋伙伴或通过详细的幅度分析来检验这一假设——对于许多上述状态已经完成了这个过程，但尚未全部完成。

确定奇异强子的性质将极具挑战性，并且仍然缺少奇异强子在风味多重态中的全面组织。确定奇异强子是否服从与常规强子相同的风味对称性将是理解其成分的重要一步。

有效的预测

由于强耦合常数在短距离处很小，因此夸克和胶子的动力学可以通过微扰方法在硬过程中进行描述，但是稳定强子的谱受非微扰效应的影响，无法从基本理论中计算出来。尽管格点QCD通过在立方格上离散时空来尝试这样做，但结果非常耗时，并且受计算能力的限制，精度有限。预测依赖于近似的分析方法，例如有效场论。

理解夸克如何在奇异强子内部结合的挑战是强子谱学中最大的悬而未决的问题。

因此，强子物理学是由经验数据驱动的，强子谱学在检验格点QCD的预测方面发挥着关键作用，格点QCD本身正成为精确电弱物理学和超出标准模型的物理学搜索中越来越重要的工具。

像门捷列夫和盖尔曼一样，我们正处于一个新领域的开始，处于分类阶段，发现、研究和分类奇异强子。更深层次的挑战是解释和预测它们。尽管潜在的原理是完全已知的，但我们距离能够进行量子色动力学的化学还有很长的路要走。