北京谱仪III实验上发现多个可能包含四个夸克的中性新粒子

  • 粒子物理团队
  • 日期:2015-12-07
  • 2102

 

       《物理评论快报》(Physical Review Letters)在2015年10月30日和11月27日两期杂志中相继在线发表了两个由中国科学院大学联合北京大学团队主导的实验发现。他们在北京正负电子对撞机北京谱仪III实验(BESIII)上发现了两个可能包含四个夸克的中性新粒子Zc(4025)0和Zc(3885)0。文章的审稿人认为“这项研究工作为理解Zc系列粒子做出了重要贡献”,“和最近发现的其他类粲偶素结构(Zc)互为补充,是粒子物理研究的一个重要里程碑”。 这两篇论文均以BESIII合作组署名发表

         2013年以来,BESIII实验合作组曾发现了多个带电的Zc粒子。它们被认为非常像由四个夸克组成的新型物质结构,被美国物理学会主编的《物理》杂志评为2013年物理学领域十一项重要成果之一,并且名列榜首。但“Zc内部可能的四个夸克是如何分布的?”一直是科学家感兴趣的基本问题。例如:这四个夸克可能像中子或质子中的三个夸克一样相对均匀地分布在Zc中(称为四夸克态);也可以类比于氦原子核间的夸克分布(6个夸克先组成质子和中子,然后通过质子和中子间的相互作用绑定成为氦原子核),Zc中的四个夸克两两分别组成一对介子,然后通过介子对间的相互作用绑定成为Zc(称为分子态)。此外既然存在带电的Zc粒子,理论上也应该存在与之对应的不带电的中性Zc粒子。本项研究工作正是在一对粲介子末态衰变中发现了新的中性粒子Zc(4025)0和Zc(3885)0

        “这对理解Zc粒子家族的性质非常重要!”目前担任BESIII合作组共同发言人,中国科学院大学郑阳恒教授表示,“尤其是在区分这些粒子是四夸克态或分子态上,它提供的信息可能成为理解Zc系列粒子内部夸克组成结构的关键。其中观测到中性Zc粒子衰变到一对粲介子的末态过程,被认为Zc粒子倾向是分子态的结构。”

        北京大学粒子物理实验团队的负责人冒亚军教授介绍说,目前物理学标准模型中的简单“夸克模型”仅局限于描述含有三个夸克的重子与含有一对夸克的介子。粒子物理实验上观测到的绝大部分强子均可以归类到“夸克模型”的重子或介子。Zc(4025)0和Zc(3885)0的发现为确认自然界中存在超出常规重子与介子的新物质形态提供了更进一步的实验证据。

        目前担任BESIII合作组的物理协调人,中国科学院大学吕晓睿副教授指出:“中性Zc粒子的观测是一个高难度的物理分析工作。我们创新地使用了‘部分重建’数据分析技术,大幅提升了信号的选择效率,使得中性Zc信号的观测成为可能。此外数据驱动的本底分析方法也使得Zc信号的确认更为可靠。”

        相关工作获得了国家自然科学基金委,科技部以及中国科学院粒子物理前沿卓越创新中心在数据分析研究经费上的支持。

 

         中性粒子Zc(4025)0文章链接:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.182002

         中性粒子Zc(3885)0文章链接:http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.115.222002
 

背景提示:

        北京谱仪III (又称为BESIII) 是运行在北京正负电子对撞机(BEPCII)上唯一的大型高能物理实验研究装置。BEPCII/BESIII实验装置位于北京玉泉路的中国科学院高能物理 研究所内,由高能所及来自合作组的数百名科学家和工程人员负责维护运行。详情可参见高能所主页:http://www.ihep.cas.cn/

        目前物理学标准模型中的普通“夸克模型”仅局限于描述含有三个夸克的重子(如中子或质子)与含有一对正反夸克的介子(如π介子或K介子)。粒子物理实验上 观测到的绝大部分粒子均可以归类到“夸克模型”的重子或介子。Zc系列粒子的发现为确认自然界中存在超出常规重子与介子的新物质形态提供了重要的实验证 据,对于完善我们对宇宙中物质最基本结构的理解具有重要科学意义,是国际粒子物理界当前的热点问题。

        带电的Zc+粒子被认为很可能由四个夸克组成:粲夸克c,反粲夸克c,上夸克u,反下夸克d。其中Zc+的电荷为+1来自上夸克u(电荷+2/3)和反下夸克d(电荷+1/3)的组合。这样,如果将Zc粒子中上夸克u替换为下夸克d(电荷-1/3),或将反下夸克d替换为反上夸克u(电荷-2/3),则在理论上应该存在对应的中性Zc粒子。该中性Zc粒子四个夸克的组成为:粲夸克c,反粲夸克c,上夸克u,反上夸克u;或为:粲夸克c,反粲夸克c,下夸克d,反下夸克d。因此实验上寻找和验证中性Zc粒子的存在成为理解Zc内部结构关键。