歐洲核子研究中心大型强子對撞機上的底誇克實驗(LHCb)近期在底介子衰變中的三體系統中發現了一個新的奇异粲介子的激發態。清華大學工物系近代物理研究所博士研究生陳晨主導了本次新發現的具體分析工作,張黎明副教授和楊振偉副教授指導了此次發現過程,英國華威大學物理系的蒂莫西·格申(Timothy Gershon)教授也參與了指導。
利用了LHCb實驗在2016-2018年採集的質子-質子對撞數據,陳晨與LHCb清華團隊一起研究了底介子的一個四體衰變過程,衰變末態包括正反粲介子對(D+D-)、一個奇异介子(K+)和一個派介子(pi-)。在分析三體系統(D+K+pi-)的不變質量譜中時,意外地觀測到一個全新的共振結構。進一步的研究量測了這個共振結構的基本性質,結果表明它與奇异粲介子主量子數為2的徑向激發態相符。由於這個新粒子的質量大約為2590 MeV(近乎質子質量的三倍),帶一個組織的正電荷,並且自旋為零,所以被命名為Ds0(2590)+。粲介子家族喜添新丁。
LHCb實驗發現新的奇异粲介子
介子與重子是强子的兩大門類,都是誇克通過强相互作用束縛形成的微觀粒子。大家耳熟能詳的質子和中子都屬於重子,由三個誇克組成;而介子則由一個正誇克和一個反誇克組成,例如奇异粲介子的組分誇克是一個粲誇克(c)和一個奇异反誇克(s[bar])。類似於氫原子的譜結構,相同誇克組分的系統可以構成一類粒子,這類粒子擁有不同的質量、主量子數、軌道量子數和自旋量子數等。其中,能量最低的粒子被稱為基態,其他為激發態。理論方面對於强子激發態以及它們的性質有所預言,但由於强相互作用在低能區的非微擾特性,理論預言不確定度較大。實驗上尋找强子激發態並量測它們的性質,對驗證理論模型和指導理論計算有著非常重要的意義。
位於歐洲核子研究中心的大型强子對撞機是現時世界上能量最高的粒子加速器。LHCb是其上的大型實驗裝置之一,致力於精確量測重味强子(即含粲誇克或底誇克的强子)的性質,以期探索宇宙中正反物質不對稱之謎、尋找超出標準模型的新物理,理解强相互作用等。清華大學於2000年加入LHCb,在探測器電子學和物理研究不斷作出重要貢獻。在LHCb探測器建造時,工物系電子學團隊參與了觸發電子學的研製;在當前正在進行的LHCb探測器陞級中,工物系電子學團隊為閃爍光纖徑跡探測器前端電子學讀出系統和測試系統作出了重要貢獻。近年來,LHCb清華組在物理研究方面取得了一系列有國際影響力的研究成果,除了本次新發現的奇异粲介子激發態,之前曾在五誇克態和雙粲重子的發現及後續研究中作出了重要貢獻。2022年LHCb將完成陞級,開始新一輪的資料獲取,期待這些海量數據會帶來更多令人激動的新發現。
本次研究相關成果於2021年3月26日發表於《物理評論快報》(Physics Review Letters)。
本次研究是由清華大學研究人員主導、LHCb國際合作組共同完成並發佈的。按照高能物理學界的慣例,論文由合作組全體成員依作者姓氏英文字母順序共同署名。相關研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計畫資助,以及清華大學自主科研計畫和“雙一流”學科建設項目的經費支持。
論文連結:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.122002
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