近日，北京正負電子對撞機上北京譜儀III實(shí)驗首次測量了X(2370)粒子的自旋宇稱(chēng)量子數，結果為0-+。這一實(shí)驗結果支持X(2370)粒子是理論上預言的最輕贗標量膠球的解釋。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)標準模型中，膠子是傳播強相互作用的基本粒子。根據描述強相互作用的基本理論——量子色動(dòng)力學(xué)的規范理論特性，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(dòng)力學(xué)預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)驗上尋找膠球對檢驗量子色動(dòng)力學(xué)理論具有非常重要的意義。
X(2370)粒子是2011年由時(shí)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)驗上通過(guò)研究J/ψ→γπ+ π- η'衰變過(guò)程中發(fā)現的新粒子，這是實(shí)驗上首次在J/ψ粒子的輻射衰變過(guò)程中觀(guān)測到與格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)理論贗標量膠球預期質(zhì)量一致的粒子。由于膠球被認為應該在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)驗上測定X(2370)粒子的自旋宇稱(chēng)量子數對確認其是否為贗標量膠球至關(guān)重要。
在本分析中，北京譜儀III實(shí)驗利用約100億J/ψ粒子衰變的實(shí)驗數據，并利用J/ψ→γKS0KS0η'過(guò)程幾乎無(wú)物理本底的優(yōu)勢，首次完成了對X(2370)粒子的自旋宇稱(chēng)分析，測得的自旋、宇稱(chēng)、電荷共軛量子數為JPC=0-+，質(zhì)量為2395±11(stat)-94+26 (syst) MeV/c2。實(shí)驗結果與格點(diǎn)量子色動(dòng)力學(xué)理論中最輕的贗標量膠球預期 (質(zhì)量為2395±14 MeV/c2) 一致。
這一實(shí)驗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高能所博士生張鵬完成。北京譜儀Ⅲ探測器維護和離線(xiàn)軟件團隊、北京正負電子對撞機加速器運行維護團隊在數據采集過(guò)程中的高效工作為本次發(fā)現提供了保障。
圖1: J/ψ粒子輻射衰變到X(2370)粒子示意圖
圖2: J/ψ→γKS0KS0η'?過(guò)程觀(guān)測到的KS0KS0η'?不變質(zhì)量譜及其擬合結果。
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DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.181901
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