近日，北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能物理冒亞軍課題組與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)、蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，基于北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)-北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)，對(duì)粲重子三體衰變過(guò)程Λc+→Λπ+η進(jìn)行分波分析。該研究首次以超過(guò)5σ的統(tǒng)計(jì)顯著性觀測(cè)到Λc+→Λa0(980)+的衰變過(guò)程，并在Λπ+不變質(zhì)量譜上以超過(guò)3σ的顯著性發(fā)現(xiàn)了Σ(1380)+粒子的跡象。這一工作對(duì)理解粲重子Λc+衰變機(jī)制及奇特強(qiáng)子態(tài)a0(980)+和Σ(1380)+的性質(zhì)提供了重要信息。相關(guān)研究論文以“在Λc+→Λπ+η中觀測(cè)Λc+→Λa0(980)+和Σ(1380)+的跡象”( Observation of Λc+→Λa0(980)+ and Evidence for Σ(1380)+ in Λc+→Λπ+η)為題，于2025年1月17日在線發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

在微觀世界中，夸克通過(guò)強(qiáng)相互作用力束縛形成強(qiáng)子。根據(jù)夸克模型，自然界存在兩類(lèi)常規(guī)強(qiáng)子：兩個(gè)夸克組成的介子(如π介子)和三個(gè)夸克組成的重子(如質(zhì)子和中子)。此外，理論還預(yù)測(cè)了更加復(fù)雜的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，例如：四夸克或五夸克以緊致形式結(jié)合而成的強(qiáng)子態(tài);強(qiáng)子-強(qiáng)子間松散結(jié)合形成的強(qiáng)子分子態(tài)。這些非常規(guī)粒子被統(tǒng)稱(chēng)為奇特強(qiáng)子態(tài)，對(duì)它們的研究有助于深化對(duì)強(qiáng)相互作用理論的理解和檢驗(yàn)。輕標(biāo)量介子a0(980)+是粒子物理研究中的受到最廣泛關(guān)注的奇特強(qiáng)子態(tài)之一。然而，學(xué)界對(duì)其內(nèi)部性質(zhì)尚存爭(zhēng)議，包括兩夸克介子、緊致四夸克態(tài)、以及閾值效應(yīng)等不同理論解釋。另一方面，基態(tài)負(fù)宇稱(chēng)的超子Σ(1380)+也是一種奇特強(qiáng)子態(tài)，其內(nèi)部可能由五個(gè)夸克組成，但此前從未被實(shí)驗(yàn)直接觀測(cè)到。理論上，粲重子Λc+的兩種特定衰變模式(Λc+→Λa0(980)+和Λc+→Σ(1380)+η)為研究上述奇特強(qiáng)子態(tài)提供了新途徑。早在2019年，研究團(tuán)隊(duì)已在BESIII實(shí)驗(yàn)上首次測(cè)量了Λc+→Λπ+η過(guò)程的絕對(duì)衰變分支比，并在Λπ+不變質(zhì)量譜上發(fā)現(xiàn)Σ(1385)+粒子。然而，由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量的限制，其他可能的中間共振態(tài)未能得到系統(tǒng)研究。在2020-2021年期間，BESIII實(shí)驗(yàn)在正反Λc對(duì)質(zhì)量閾值附近采集了約10倍于以往的數(shù)據(jù)。本次研究成果正是基于這些新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完成的。

圖1. 粲重子Λc+衰變到a0(980)+或Σ(1380)+粒子示意圖

團(tuán)隊(duì)分析了BESIII實(shí)驗(yàn)中正負(fù)電子湮滅產(chǎn)生的約90萬(wàn)對(duì)Λc+Λ(_)c-事例，并對(duì)Λc+→Λπ+η三體衰變過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分波分析。研究首次以超過(guò)5σ的統(tǒng)計(jì)顯著性觀測(cè)到Λc+→Λa0(980)+的衰變過(guò)程，并測(cè)量了其衰變分支比。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果比基于a0(980)+為四夸克態(tài)假設(shè)的短程貢獻(xiàn)和考慮末態(tài)相互作用的長(zhǎng)程貢獻(xiàn)的理論預(yù)言值高出1-2個(gè)量級(jí)。這種理論與實(shí)驗(yàn)的巨大分歧表明，粲重子衰變機(jī)制及a0(980)+的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能需要重新審視。除此之外，在Λπ+不變質(zhì)量譜中，研究首次發(fā)現(xiàn)了Σ(1380)+的信號(hào)，其統(tǒng)計(jì)顯著性超過(guò)3σ(信號(hào)來(lái)源于統(tǒng)計(jì)漲落的可能性小于 0.3%)。該研究為探索粲重子的衰變機(jī)制及奇特強(qiáng)子態(tài)的性質(zhì)提供了重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并對(duì)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中強(qiáng)相互作用理論的進(jìn)一步研究具有重要意義。未來(lái)，理論學(xué)家和實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)合作，深入解析這些奇特強(qiáng)子態(tài)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制。

圖2. 左圖是基準(zhǔn)模型的擬合結(jié)果在π+η不變質(zhì)量譜的投影圖，其中紅色線代表Λc+→Λa0(980)+過(guò)程。右圖是包含Σ(1380)+的模型的擬合結(jié)果在Λπ+不變質(zhì)量譜的投影圖，其中淺藍(lán)色線代表Λc+→Σ(1380)+η過(guò)程。

該研究工作由北京大學(xué)物理學(xué)院技術(shù)物理系、核物理與核技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高能物理團(tuán)隊(duì)冒亞軍教授課題組與中國(guó)科學(xué)院大學(xué)和蘭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作完成。北京大學(xué)物理學(xué)院2021級(jí)博士研究生余旭東與2019級(jí)博士研究生謝昕海(已畢業(yè))共同承擔(dān)了主要的數(shù)據(jù)分析與論文撰寫(xiě)工作，并代表BESIII合作組投稿。

BESIII實(shí)驗(yàn)是我國(guó)運(yùn)行于陶輕子-粲夸克能區(qū)的大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)，在該能區(qū)擁有世界最高統(tǒng)計(jì)量的數(shù)據(jù)樣本。BESIII實(shí)驗(yàn)合作組由來(lái)自17個(gè)國(guó)家和地區(qū)86家研究機(jī)構(gòu)的600余名科研人員組成。北京大學(xué)BESIII課題組在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建造、運(yùn)行維護(hù)中發(fā)揮了重要作用，在輕強(qiáng)子譜、奇特強(qiáng)子態(tài)、粲強(qiáng)子與粲偶素物理以及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理等研究領(lǐng)域持續(xù)產(chǎn)出重要研究成果，并擔(dān)任了合作組多個(gè)重要管理職位，如冒亞軍曾擔(dān)任合作組共同發(fā)言人，王大勇曾擔(dān)任合作組物理分析協(xié)調(diào)人等。BESIII實(shí)驗(yàn)仍將繼續(xù)運(yùn)行5~10年，基于其數(shù)據(jù)的物理研究將維持15年以上，可以期待更多新的發(fā)現(xiàn)和成果。

該研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金等大力支持。