近日,北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)在超子激發(fā)態(tài)的電磁輻射衰變研究中取得重要突破:首次觀測(cè)到兩個(gè)激發(fā)態(tài)粒子Λ(1520)和Λ(1690)衰變?yōu)橐粋€(gè)光子(γ)和一個(gè)Σ?超子的過(guò)程。該成果已于2026年4月8日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Phys. Rev. Lett.)。
Λ超子是含有一個(gè)奇異夸克的重子,其激發(fā)態(tài)Λ(1520)和Λ(1690)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與衰變機(jī)制,是探索強(qiáng)相互作用和理解夸克禁閉的關(guān)鍵窗口。電磁輻射衰變(即發(fā)射一個(gè)光子)猶如對(duì)粒子進(jìn)行一次“電磁CT掃描”,是直接探測(cè)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的獨(dú)特探針。然而,由于此類(lèi)信號(hào)極其微弱稀有,實(shí)驗(yàn)觀測(cè)難度極高,導(dǎo)致Λ(1520) → γΣ?的衰變數(shù)據(jù)長(zhǎng)期缺失,而Λ(1690)超子的同類(lèi)衰變更是從未被發(fā)現(xiàn)。
BESIII實(shí)驗(yàn)基于其采集的約100億J/ψ事例的巨大樣本,并利用量子關(guān)聯(lián)的正反超子對(duì)末態(tài)優(yōu)勢(shì),在γΣ?的不變質(zhì)量譜中,首次清晰地觀測(cè)到了來(lái)自Λ(1520)和Λ(1690)的信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)顯著性均超15倍標(biāo)準(zhǔn)偏差,這標(biāo)志著Λ(1520)與Λ(1690)粒子的輻射衰變道首次被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。
BESIII實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步測(cè)量了Λ(1520)衰變到γΛ與衰變到γΣ?的分支比比值,結(jié)果為3.19。該值與基于夸克味SU(3)對(duì)稱(chēng)性的理論預(yù)期在誤差范圍內(nèi)相符,但排除了如相對(duì)論性組分夸克模型和代數(shù)模型等其他理論預(yù)言。更為引人注目的是Λ(1690)粒子與Λ(1520)粒子有不同的反常行為:雖然Λ(1690)衰變到γΣ?的信號(hào)清晰可見(jiàn),但對(duì)應(yīng)的Λ(1690) → γΛ衰變卻未被觀測(cè)到,其上限不足γΣ?衰變分支比的8%。這兩個(gè)相似激發(fā)態(tài)在輻射衰變模式上表現(xiàn)出的顯著差異,為理解激發(fā)態(tài)超子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出了全新謎題,也對(duì)現(xiàn)有描述輕夸克動(dòng)力學(xué)的理論模型構(gòu)成了直接挑戰(zhàn)。

圖1?γΣ?的不變質(zhì)量分布及擬合結(jié)果。
該研究由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所實(shí)驗(yàn)物理中心博士后鄭文靜在房雙世研究員指導(dǎo)下完成,北京譜儀III探測(cè)器維護(hù)和離線軟件團(tuán)隊(duì)、北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的加速器運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)和高能物理研究所計(jì)算中心為數(shù)據(jù)采集和分析做出了重要貢獻(xiàn),并得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等資助。
文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/l6g2-2wg6