北京谱仪III实验首次观测到Ds到双矢量介子的新衰变模式

近日，北京谱仪III(BESIII)合作组在粲介子强子衰变的实验研究中取得重要进展，研究成果以“Observation of the W-Annihilation Process Ds+→ωρ+ and Measurement of Ds+→Φρ+ in Ds+→π+π+π-π0π0 Decays”为题发表于国际权威期刊《物理评论快报》(PhysRevLett.134.201902)。
在粲介子衰变中，末态为两个矢量介子衰变被认为是寻找超出标准模型的新物理及研究强子结构的重要过程。理论认为此类衰变由横向极化主导，波成分作为主要贡献存在。然而，现有实验表明，部分该类衰变过程由纵向极化主导，并观测到波或波主导的反常现象，这与传统理论预期产生了严重不符，并以“极化难题”为名在物理学家中受到广泛讨论。目前，物理学家常使用拓扑图方法研究该类过程，而纯W-湮灭过程Ds+→ωρ+和纯W-外发射过程Ds+→Φρ+是研究“极化难题”的重要研究对象。二者的拓扑图如图1所示。 BESIII实验团队利用采集的大量奇异粲介子数据，利用振幅分析方法，首次观测到Ds+→ωρ+ 衰变过程，并对Ds+→Φρ+ 过程进行了首次测量。振幅分析拟合结果如图2所示。利用振幅分析，BESIII合作组得到了二者的分波振幅绝对分支比，发现了Ds+→ωρ+ 衰变过程中波大于波的反常现象，与Ds+→Φρ+ 衰变过程中波主导的实验现象存在明显偏差。通过对这两个过程的绝对分支比及分波振幅分支比进行比较，将有助于解决困扰物理学家多年的“极化难题”，并为末态相互作用研究做出重要贡献。

此外，通过该研究，BESIII合作组对Φ→π+π-π0与Φ→K+K-比例进行了计算，测量结果与之前BESIII实验结果一致，与目前世界平均测量结果存在3倍以上标准偏差，为Φ衰变研究提供了重要支持。

高能物理研究所董燎原研究员，博士后卢泽辉和郑州大学柯百谦教授等合作组成员为这一发现做出了主要贡献，北京谱仪III探测器维护和离线软件团队、北京正负电子对撞机的加速器运行维护团队为数据采集和处理提供了基础支持。

该工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院的支持。

图1 纯W-湮灭过程Ds+→ωρ+ (a) 和纯W-外发射过程Ds+→Φρ+ (b) 的拓扑图

图2 π+π-π0不变质量谱