我校粒子物理团队发现新的(类)粲偶素
粒子物理实验团队
2024年9月27日《物理评论快报》(Physical Review Letters)正式在线发表了基于欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上底夸克物理实验(简称LHCb实验)开展的带电B介子衰变到带电D*D介子对和带电K介子末态的分波分析结果，发现了新的（类）粲偶素的贡献，为理解强相互作用提供了关键信息。论文被物理评论快报选为编辑推荐文章。该成果由我校粒子物理实验团队联合清华大学等团队共同完成，国科大博士研究生(2015级国科大本科)蒋艺在钱文斌教授、吕晓睿教授和郑阳恒教授联合指导下做出主导性贡献。
图 1.（类）粲偶素粒子衰变到D*±D∓末态时的电荷(C)宇称关系
强相互过程中存在一系列寿命非常短的共振态粒子，这些粒子只能通过衰变产生的末态进行研究。50年前丁肇中等人因发现J/ψ粒子获得1976年诺贝尔奖，而J/ψ粒子即是由一对正反粲夸克组合而成的粲偶素粒子。粲偶素谱学处于强相互作用微扰和非微扰的过度区域，对于强相互作用的研究具有重要意义。近年来，物理研究中发现的多个具有奇特性质的类似粲偶素的共振态粒子（例如Zc和Zcs粒子），同样内部包含正反粲夸克，但也包含其它夸克的贡献，这一类共振态粒子被称为类粲偶素。除了包含正反粲夸克的类粲偶素外，更一般的具有奇特性质的奇特态粒子也往往和粲偶素有着深刻的关联。粲偶素相关能区的研究受到学界的广泛关注。
国科大粒子物理实验团队分析了LHCb实验在第一期(2011-2012)和第二期(2015-2018)采集的质子质子对撞实验数据，对其中的带电B介子衰变到D*±D∓K+末态的数据首次进行了联合分波分析研究，首次发现了新的（类）粲偶素粒子 h𝑐 (4000)、 𝜒𝑐1(4010) 和 h𝑐 (4300)的存在，并确定了其自旋宇称，测量了其质量和宽度。该研究首次利用了D*+D-K+和D*-D+K+两种衰变末态中（类）粲偶素粒子衰变到的D*+D-和D*-D+的电荷(C)宇称关联性，通过联合拟合确定了新粒子的C宇称。此外，研究在新的产生过程上证实了之前LHCb实验发现的Tcs0*(2870)0和Tcs1*(2900)0奇特态粒子的存在。该研究成果为强子产生机制和内部结构的相关理论提供重要的实验依据。
图 2. 两个衰变道质量谱的拟合结果以及相应共振态的贡献
分波分析是研究多体末态的重要方法，但及其复杂且需消耗大量的计算资源及时间，国科大粒子物理实验团队为了更好地应用分波分析，降低分波分析的门槛，提高分波分析的效率，开发了TF-PWA分波分析工具。该工具同样由蒋艺主导开发，本研究正是基于该工具完成。目前该框架已经被众多同行采用，取得了一系列重要成果。
本研究工作获得了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院以及中国科学院大学科研项目的大力支持。
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