欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验(LHCb)北京大学研究团队首次测量出粲重子Ξc(3055)+(0) 的自旋-宇称量子数为3/2+，以及Ξb0(-)→Ξc(3055)+(0)π-衰变的宇称破缺参数，为探索强相互作用机制、理解重子谱学及其衰变性质提供了关键实验依据。相关研究以“首次测量Ξc(3055)+(0)自旋-宇称”为题2025年2月28日在线发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)，并被选为编辑推荐(Editors’ Suggestion)和亮点论文(Featured in Physics)。
1964年，盖尔曼(M. Gell-Mann)和茨威格(G. Zweig)提出夸克模型，给予强子(指夸克在强相互作用下形成的束缚体系)分类方案(盖尔曼因此获得1969年诺贝尔物理学奖)。常规介子由正、反夸克组成，而常规重子包含三个夸克。量子色动力学(QCD)是标准模型中描述强相互作用的基本理论，然而它在低能标下具有非微扰特性，难以用于计算相关物理现象，比如至今无法直接通过第一性原理理解夸克禁闭机制。
强子是研究QCD低能非微扰动力学性质的理想载体。重味强子(即包含底夸克或粲夸克的强子)因包含重-轻夸克耦合，为相关研究提供了独特的视角。类似原子系统在库伦作用下的能级激发，强子在强相互作用下也呈现丰富的激发模式。比如，对于c夸克、s夸克和u夸克组成的Ξc+重子，轻夸克系统(su)和重夸克(c)之间(λ模)，以及轻夸克系统内部(ρ模)都存在轨道激发。再加上c，s，u夸克自旋和λ、ρ模轨道角动量(如S波、P波、D波等)耦合，形成丰富的激发谱。理论模型和格点QCD对Ξc+(0)激发态谱学结构有大量计算，然而实验观测到的Ξc(3055)+(0)激发态数目显著少于理论预言，且对其激发模式的辨认存在争议。
自旋(J)与宇称(P)是表征粒子内禀旋转对称性和空间反演对称性的基本量子数。粲重子的自旋-宇称由轨道角动量及其与夸克自旋的耦合决定，因此是与质量、自然宽度等同等关键的表征其性质的物理量。
底夸克探测器(LHCb)是大型强子对撞机上为研究重味强子而建造的大科学装置，收集有世界上数目最多、种类最全的底/粲强子事例。北京大学研究团队利用这些数据，首次发现Ξb0(-)→Ξc(3055)+(0)π-衰变模式，其中Ξc(3055)+(0)按照Ξc(3055)+(0)→DΛ，Λ→pπ-衰变方式进行重建。Ξb0(-)→Ξc(3055)+(0)π-为弱衰变，破坏了宇称对称性(李政道和杨振宁在1956年首先指出弱衰变中的宇称破坏，并因此获1957年诺贝尔物理学奖)，从而使得Ξc(3055)+(0)自旋存在极化，具备了测量其自旋-宇称的条件。随后，团队基于螺旋度振幅分析方法，对上述级联衰变的角分布和质量谱进行全局分析，确定Ξc(3055)+(0)的自旋-宇称为JP=3/2+(统计显著性大于5倍标准偏差)(见下图);结合Ξb0(-)→Ξc(3055)+(0)π-衰变的宇称破坏参数等测量结果，首次确认Ξc(3055)+(0)与λ模D波激发态相符。该研究首次通过实验测量确认Ξc类型重子的自旋-宇称性质，澄清了此前对Ξc(3055)+(0)结构认识的长期争议，为检验QCD求和规则等理论模型以及格点QCD方法提供了关键基准，加深了人们对粲重子谱学结构及强相互作用机制的认识。
Ξc(3055)+(0)螺旋度角分布数据，以及不同自旋的拟合结果
北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室张艳席助理教授和2021级博士研究生万关越是上述研究的主要完成人。论文署名为LHCb合作组全体成员，依照姓氏英文字母顺序排列。这项研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及北京大学建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项的资助支持。
LHCb合作组由来自24个国家和地区的98家研究机构的约1700名科研人员组成。以北京大学等10多所高校和研究机构为核心的LHCb中国研究团队成立于2000年，近年来在电荷共轭-宇称联合变换(CP)对称性破坏机制、强子谱学、重味强子产生机制以及新物理寻找等前沿领域取得了一系列突破性成果。北京大学团队自2018年以来，一直在LHCb合作组中承担物理研究和探测器建设的核心任务。张艳席曾两度担任LHCb实验物理工作组召集人，现任LHCb合作组报告人遴选委员会委员、欧洲核子研究中心大型强子对撞机物理中心(LPCC)味物理工作组联系人。目前，北京大学正在与国内外合作单位共同推进LHCb探测器升级所需新型电磁量能器的核心研发工作，力争在高亮度大型强子对撞机(HL-LHC)LHCb的设计与建造中作出原创性贡献。
