北京譜儀III(BESIII)實(shí)驗(yàn)國(guó)際合作組于2013年3月宣布發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的共振結(jié)構(gòu)Zc(3900),該發(fā)現(xiàn)引起國(guó)際廣泛關(guān)注,《物理評(píng)論快報(bào)》、《自然》等雜志做了熱點(diǎn)報(bào)道。因?yàn)槠渲泻幸粚?duì)正反粲夸克且?guī)в泻碗娮酉嗤蛳喾吹碾姾?,提示其中至少含有四個(gè)夸克,極有可能是科學(xué)家們長(zhǎng)期尋找的介子分子態(tài)或四夸克態(tài)。Zc(3900)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了實(shí)驗(yàn)和理論研究的熱潮,并引出了一系列亟待回答的問(wèn)題:Zc(3900)到底是什么粒子,它的自旋-宇稱量子數(shù)是什么,它還有什么其他衰變模式,是否存在與Zc(3900)性質(zhì)相同的伴隨態(tài),等等。
BESIII實(shí)驗(yàn)在宣布發(fā)現(xiàn)了Zc(3900)之后迅速改變了當(dāng)年的數(shù)據(jù)采集計(jì)劃,在可能產(chǎn)生Zc(3900)或其伴隨態(tài)的能量上采集了之前4倍的數(shù)據(jù)量,從而擁有了世界上最大的研究Zc(3900)及相關(guān)粒子性質(zhì)的數(shù)據(jù)樣本,為深入研究Zc(3900)的性質(zhì)、尋找Zc(3900)的伴隨態(tài)以及研究其他性質(zhì)尚不明確的粒子,如日本Belle實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的X(3872)和美國(guó)BaBar實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的Y(4260)等,提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
在近期提交的四篇論文中,BESIII合作組宣布新發(fā)現(xiàn)了一種Zc(3900)的衰變模式,并確定了其自旋-宇稱量子數(shù);在兩個(gè)不同的衰變末態(tài)中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的共振結(jié)構(gòu),分別命名為Zc(4020)和Zc(4025),他們極有可能是Zc(3900)的質(zhì)量較高的伴隨態(tài);首次觀測(cè)到X(3872)在Y(4260)輻射躍遷中的產(chǎn)生。上述文章已提交Physical Review Letters發(fā)表。
新發(fā)現(xiàn)的Zc(3900)的衰變模式為末態(tài)含一個(gè)帶電粲介子和一個(gè)中性矢量反粲介子,而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種衰變模式比發(fā)現(xiàn)Zc(3900)的一個(gè)帶電p介子和一個(gè)J/ψ介子要大得多,約是其6倍,這可以有效地區(qū)分有關(guān)Zc(3900)性質(zhì)的理論模型;利用這種衰變模式還確定Zc(3900)的自旋為1宇稱為正,這個(gè)信息為理論模型計(jì)算和格點(diǎn)規(guī)范量子色動(dòng)力學(xué)計(jì)算提供了重要的輸入。
與發(fā)現(xiàn)Zc(3900)類似,Zc(4020)也是在末態(tài)中含有一個(gè)帶電p粒子和一個(gè)粲偶素粒子中發(fā)現(xiàn)的,不過(guò)這里的粲偶素粒子稱為hc,與J/ψ類似,它也由一對(duì)正反粲夸克組成但質(zhì)量更高,因此Zc(4020)與Zc(3900)具有類似的性質(zhì)。與Zc(3900)不同,Zc(4025)是在完全不同的末態(tài)中發(fā)現(xiàn)的。Zc(4025)衰變產(chǎn)生一個(gè)中性矢量粲介子(內(nèi)含一個(gè)粲夸克和一個(gè)反上夸克)和一個(gè)帶電矢量反粲介子(內(nèi)含一個(gè)反粲夸克和一個(gè)下夸克),因此其組分中也至少含有4個(gè)夸克。
新發(fā)現(xiàn)的Zc(4020) 和Zc(4025)質(zhì)量差別很小,但衰變的壽命存在一定差異,目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不能斷定二者是否是同一個(gè)粒子,后續(xù)的研究在進(jìn)行當(dāng)中。不論Zc(4020) 和Zc(4025) 是否是同一個(gè)粒子,都為我們理解這些新粒子的性質(zhì)提供了重要的實(shí)驗(yàn)信息,尤其是在區(qū)分這些粒子是四夸克態(tài)或分子態(tài)上,這些信息可能是決定性的。
BESIII實(shí)驗(yàn)還首次發(fā)現(xiàn)了一種X(3872)的產(chǎn)生模式,即通過(guò)Y(4260)的輻射躍遷產(chǎn)生。這個(gè)2003年發(fā)現(xiàn)的粒子,由于其奇特的性質(zhì)引起了理論和實(shí)驗(yàn)的廣泛關(guān)注,但由于實(shí)驗(yàn)信息缺乏,人們對(duì)其性質(zhì)莫衷一是。BESIII的發(fā)現(xiàn)為精確研究X(3872)提供了一種可能,但BESIII目前的數(shù)據(jù)量仍然不足,需要更大的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行后續(xù)研究。
BESIII的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將目前強(qiáng)子譜領(lǐng)域的熱點(diǎn)包括X(3872)、Y(4260)和Zc(3900)等聯(lián)系到了一起,極有可能說(shuō)明這些粒子之間存在著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系,也提示理論研究應(yīng)當(dāng)把它們放在一個(gè)統(tǒng)一的框架里討論,這樣才能真正理解他們的性質(zhì)。
目前北京譜儀積累的數(shù)據(jù)還提供了深入研究這些帶電類粲偶素的許多其他可能,多項(xiàng)物理分析都在緊張進(jìn)行中,與該領(lǐng)域的理論研究相結(jié)合,將進(jìn)一步揭示奇特態(tài)粒子的性質(zhì)。

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