近日，北京正負(fù)電子對撞機(jī)上北京譜儀III實(shí)驗(yàn)首次測量了X(2370)粒子的自旋宇稱量子數(shù)，結(jié)果為0-+。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持X(2370)粒子是理論上預(yù)言的最輕贗標(biāo)量膠球的解釋。論文于2024年5月2日以編輯推薦(Editor’s Suggestion)的方式發(fā)表在《物理評論快報》上(Phys. Rev. Lett. 132,181901 (2024))。

在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中，膠子是傳播強(qiáng)相互作用的基本粒子。根據(jù)描述強(qiáng)相互作用的基本理論——量子色動力學(xué)的規(guī)范理論特性，膠子間可以存在自相互作用而形成束縛態(tài)——膠球。量子色動力學(xué)預(yù)言存在的膠球是自然界中唯一由基本粒子自相互作用形成的粒子。因此，在實(shí)驗(yàn)上尋找膠球?qū)z驗(yàn)量子色動力學(xué)理論具有非常重要的意義。

X(2370)粒子是2011年由時任中國科學(xué)院高能物理研究所研究員的金山教授與博士后黃燕萍合作在北京譜儀III實(shí)驗(yàn)上通過研究J/ψ→γπ+ π- η'衰變過程中發(fā)現(xiàn)的新粒子，這是實(shí)驗(yàn)上首次在J/ψ粒子的輻射衰變過程中觀測到與格點(diǎn)量子色動力學(xué)理論贗標(biāo)量膠球預(yù)期質(zhì)量一致的粒子。由于膠球被認(rèn)為應(yīng)該在J/ψ粒子的輻射衰變中豐富地產(chǎn)生，而且π+π- η'模式可能是贗標(biāo)量膠球的主要衰變模式之一，這些產(chǎn)生和衰變性質(zhì)都支持X(2370)粒子是膠球的解釋。因此在實(shí)驗(yàn)上測定X(2370)粒子的自旋宇稱量子數(shù)對確認(rèn)其是否為贗標(biāo)量膠球至關(guān)重要。

在本分析中，北京譜儀III實(shí)驗(yàn)利用約100億J/ψ粒子衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用J/ψ→γKS0KS0η'過程幾乎無物理本底的優(yōu)勢，首次完成了對X(2370)粒子的自旋宇稱分析，測得的自旋、宇稱、電荷共軛量子數(shù)為JPC=0-+，質(zhì)量為2395±11(stat)-94+26 (syst) MeV/c2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與格點(diǎn)量子色動力學(xué)理論中最輕的贗標(biāo)量膠球預(yù)期 (質(zhì)量為2395±14 MeV/c2) 一致。

這一實(shí)驗(yàn)研究成果主要由高能所黃燕萍研究員和南京大學(xué)金山教授合作并指導(dǎo)高能所博士生張鵬完成。北京譜儀Ⅲ探測器維護(hù)和離線軟件團(tuán)隊(duì)、北京正負(fù)電子對撞機(jī)加速器運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集過程中的高效工作為本次發(fā)現(xiàn)提供了保障。

圖1: J/ψ粒子輻射衰變到X(2370)粒子示意圖

圖2: J/ψ→γKS0KS0η' 過程觀測到的KS0KS0η' 不變質(zhì)量譜及其擬合結(jié)果。