2025年5月14日《科学通报》（Science Bulletin）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）开展的来自B介子衰变产生的奇异粲介子DS1(2460)+的三体衰变DS+π+π−的振幅分析结果。通过分析实验数据，在π+π−质量谱上观测到明显的双峰结构。实验数据可以同时用仅包含π+π−共振态的模型和包含ƒ0(500)和双电荷四夸克态TCS++ 及其中性同位旋伙伴TCS0 的模型描述。其中，仅包含π+π−共振态的模型中ƒ0(980)和ƒ2(1270)的质量远离π+π−不变质量阈值高端并且贡献显著，这从物理上讲不合理，这说明DS1(2460)+的三体衰变很可能存在四夸克态的贡献，该结果为理解强相互作用提供了重要的信息。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（2020级国科大直博生）朱琳萱在郑阳恒教授、吕晓睿教授和钱文斌副教授联合指导下做出主导性贡献。
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。DS0*(2317)+和DS1(2460)+在夸克模型理论中属于奇异粲介子家族中成员。自从它们20年前被发现以来至今，理论学家对于它们内部结构没有确定的结论。DS0*(2317)+和DS1(2460)+的质量比夸克模型预言低约100 MeV，和其对应量子数的粲介子的质量一致。它们的质量低于D(*)K阈值，因此不能衰变到D(*)K末态，主要通过同位旋破坏过程DS(*)+π0衰变，宽度小于1MeV。理论学家为了解释这些现象，对它们内部结构提出不同的假设，包括奇异粲介子、紧致四夸克态和强子分子态等。
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B介子衰变到D(*)DSππ末态的数据首次进行了联合振幅分析研究，首次在π+π−不变质量谱观测到了双峰结构。虽然可以用仅包含π+π−共振态的模型来描述数据，但是该模型存在不合理之处。因此该三体衰变过程很可能存在两个新的四夸克态TCS的贡献，它们的质量略低于DK的阈值，自旋宇称高度符合，质量和宽度分别为 2327±13±13MeV和 96±16−23+170MeV。该研究成果为理解DS0*(2317)+和DS1(2460)+内部结构提供重要的实验依据，向进一步理解DS0*(2317)+和DS1(2460)+内部结构迈进一大步。
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。
图1. B→D(*)DS1(2460)+ 和 DS1(2460)+→DS+π+π−级联衰变的拓扑图，以及DS1(2460)+三体衰变可能中间共振态贡献。
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图2. 两种不同模型拟合结果在π+π−不变质量谱的投影。
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