2022年2月7日,《物理評論D(快報)》(Physical Review D(Letter))線上刊發了秦溱副教授團隊題為《尋找Ξbc重子的單舉方案》(Inclusive approach to hunt for the beauty-charmed baryonsΞbc)的論文。我校為第一單比特,秦溱副教授為第一作者與共同通訊作者,德國波恩大學施瑀基博士與南京師範大學朱瑞林副教授為共同通訊作者,上海交通大學王偉教授、蘭州大學於福昇教授和我校博士生楊國賀參與了相關工作。
坐落在瑞士與法國邊境的大型强子對撞機LHC在2012年發現上帝粒子——希格斯玻色子,並囙此變得廣為人知。事實上LHC同時也是新强子搜尋的利器,比如2015年發現世界上首個五誇克態Pc,2017年發現首個雙粲重子Ξcc。這些新强子的發現具有重要意義,類比於化學元素週期表,如圖1列出一個强子週期表,可見Pc和Ξcc分別開啟了一個新的週期和新的主族。而Ξbc則是LHC下一步尋找的重要目標,它的發現將再次開啟一個新的强子主族。此外,它有著與所有已知强子不同的結構,它包含兩個重誇克b、c以及一個輕誇克,b、c誇克形成一個類似天文學中的雙星系統,而輕誇克則類似一個繞轉的行星,這樣的獨特結構將為强相互作用的研究提供全新的平臺。
在過去的幾年中,LHC已經多次嘗試尋找Ξbc,但一直未有所獲。秦溱團隊與合作者發現通過遍舉衰變來尋找新粒子的傳統方案對於Ξbc存在著很大困難。因為Ξbc包含一個b誇克,它衰變到任何一個特定遍舉末態的概率都極低,這造成遍舉方案的重建效率極低。為了克服此困難,團隊與合作者創新性地提出利用單舉衰變來尋找Ξbc。該單舉方案涉及的具體衰變過程是Ξbc衰變到Ξcc以及其他所有可能的粒子Ξbc→Ξcc+X,如圖2所示,此過程最有利的特徵是Ξbc產生後在探測器中將飛行一段距離再進行衰變,這樣就形成一個偏離主對撞頂點的Ξcc,而Ξbc是此現象的唯一主要來源。囙此,搜尋到偏離主對撞頂點的Ξcc,便發現了Ξbc重子。這與天文觀測中通過天王星攝動發現海王星有異曲同工之妙。
基於量子色動力學的有效理論和重誇克對稱性,團隊發展了重雙誇克有效理論,並由此對Ξbc→Ξcc+X衰變過程的發生概率進行了理論計算。計算結果表明,該過程的衰變分支比大概在10%,比遍舉衰變過程大幾個數量級。考慮Ξbc在LHC上的產生效率以及Ξcc的探測效率後,可以估算LHC到第三期運行結束,將能够通過此單舉衰變道收集大約300個Ξbc重子。囙此可以預見,LHC將有很大希望通過此單舉方案發現Ξbc重子,届時將是新强子譜領域的又一個里程碑。
此前,四誇克態、五誇克態和雙粲重子的發現均由中國科學家主導,在新强子譜領域中國已然處於世界領先地位,該工作將使得這一地位得到進一步鞏固。
論文連結:https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.105.L031902
圖1:强子週期表。不同週期强子包含誇克和反誇克數不同,不同主族强子包含誇克味道不同。
圖2.Ξbc重子在LHC上產生和單舉衰變示意圖。