近日，蘭州大學稀有同位素前沿科學中心、核科學與技術學院肖棟青年研究員與復旦大學現代物理研究所羅濤課題組合作，在Ω-超子激發態的實驗研究中取得重要進展，研究成果以“Evidence for two excited Ω- hyperons”為題發表在《物理評論快報》(Phys. Rev. Lett. 134, 131903 (2025))上。該成果基于中科院高能所北京正負電子對撞機上的的北京譜儀III(BESIII)探測器獲取的實驗數據完成。

1964年，蓋爾曼(M. Gell-Mann)和茨威格(G. Zweig)提出夸克模型，基于強子(指夸克在強相互作用下形成的束縛體系)的內在夸克結構對強子分類，蓋爾曼因此獲得1969年諾貝爾物理學獎。根據夸克模型，重子屬于強子的一種，含有三個夸克。類似于原子體系在庫侖勢中呈現的能級激發，重子在強相互作用下同樣展現出復雜的能譜，表現為重子激發態。然而，夸克模型預測的重子激發態的數量遠多于實驗上觀測到的數量，這便是重子譜學中最重要的問題之一——“丟失”的重子激發態。因此，尋找和研究重子激發態有助于我們解決重子“丟失”之謎，完善用于描述強相互作用的量子色動力學理論。與其他夸克組成的輕重子譜相比，我們對由三個奇異夸克組成的Ω-超子譜的了解更是非常有限，這促使我們進一步尋找更多的Ω-超子激發態。

2018年，Belle合作組在實驗上觀測到一個新粒子，Ω(2012)-。一些理論家根據夸克模型的計算認為Ω(2012)-可能是Ω-重子的第一軌道激發態的候選者。然而，另外也有理論認為Ω(2012)-具有強子分子態的奇特結構。截至目前，Ω(2012)-的性質仍然存在很大爭議。

研究團隊利用BESIII實驗在高能量區域采集的大量數據樣本，通過開發出的新的研究方法，在實驗上證實了Ω(2012)-存在的證據(信號顯著性為3.5倍標準偏差)，同時，研究團隊首次發現了一個新的Ω超子激發態的實驗證據，信號顯著性達到了4.1倍標準偏差，如圖1所示，研究團隊將其命名為Ω(2109)-。測量到的質量和寬度分別為：

MΩ2109-=[2108.5±5.2(stat.)±0.9(syst.)] MeV/c2

和

ΓΩ2109-=18.3±16.4stat.±5.7syst. MeV.

研究團隊所報道的關于Ω(2109)-和Ω(2012)-的研究成果有助于解決重子激發態“丟失”之謎和揭示Ω(2012)-的內部結構。這兩個粒子的質量與強子譜合作組(Hadron Spectrum Collaboration)發表的格點量子色動力學預言結果高度吻合——該計算預言Ω-超子的兩個量子數為JP=1/2-和JP=3/2-的激發態的質量分別約為2.0 GeV/c2和2.1 GeV/c2。

蘭州大學稀有同位素前沿科學中心、核科學與技術學院的肖棟青年研究員與復旦大學現代物理研究所博士研究生王順及其導師羅濤青年研究員是該研究工作的主要完成人。北京譜儀III探測器維護和離線軟件團隊、北京正負電子對撞機的加速器運行維護團隊為數據采集和分析做出了重要貢獻。

圖2：Ω-激發態的示意圖

該工作得到了國家自然科學基金委員會高技術研究發展中心“十四五”國家重點研發計劃“大科學裝置前沿研究”重點專項“正負電子對撞機上的重子物理研究”項目 (2023YFA1609400) 的資助，也得到了國家自然科學基金委( 12105127) 和蘭州大學等支持。