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第三代北京谱仪(BESIII)实验上的粲强子衰变研究,揭示基础物理面纱

2021-10-29 14:52     来源:中国科学杂志社     北京谱仪北京正负电子对撞机
近日,两位北京谱仪III(BESIII)实验国际合作组的科学家(中国科学院高能物理研究所李海波研究员、中国科学院大学吕晓睿教授)在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)发表综述文章,介绍了北京正负电子对撞机(BEPCII)上BESIII实验中所开展的粲强子衰变研究。利用粲强子对的阈值产生和量子关联的独有特性,这些研究在精确检验粒子物理标准模型、寻找新物理现象等方面取得了丰硕的成果。


 

标准模型被认为是关于基本粒子及其相互作用的理论。在标准模型中,基本粒子包括构成我们周围物质世界单元的6种夸克和6种轻子,以及作为传递强、弱和电磁相互作用的媒介粒子的5种玻色子。另一方面,量子色动力学理论(QCD)描述了强相互作用的动力学过程,它在高能微扰能区得到了很好的验证,但在低能非微扰能区仍然有无法克服的困难。

1974年,研究者在实验上发现了第一个重味夸克——粲夸克,这开启了粒子物理学中研究重夸克物理的新时代。在标准模型的6种夸克中,粲夸克处于独特的地位。它的有效质量约为1.5 GeV,位于QCD理论中微扰能区和非微扰能区的过渡区域。此外,CKM矩阵元用于表征弱相互作用下不同夸克之间的跃迁几率,而粲夸克的弱衰变直接与CKM矩阵元Vcs和Vcd相关。因此,对粲强子衰变的精细研究对于精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理现象至关重要。

在BEPCII上的BESIII实验中,对于粲强子的研究是这样进行的:

BEPCII分别加速负电子和正电子束流,两束粒子面对面碰撞,通过正反物质湮灭转化为一对质量和接近对撞能量的强子,而这些短寿命的强子很快衰变。BESIII实验对整个反应过程中的信息进行记录,从而开展相关物理量的精确测量。

BESIII实验可以大量产生四种粲强子(包含一个粲夸克和不同轻味组分夸克的粒子):三种基态的粲介子(D0、D+、Ds+)和一种粲重子(Λc)。利用这些样本,可以以前所未有的精确方式测量它们的性质。


BESIII实验上研究的四种粲强子的结构。它们内部均包含一个粲夸克和一个或两个轻夸克。它们的衰变总是通过其中包含的粲夸克弱衰变进行,对它们衰变性质的研究可以对粒子物理标准模型进行高精度检验。

在这篇综述文章中,作者介绍了自2011年以来,在BESIII实验上利用阈值数据对粲强子弱衰变进行研究的成果,系统地探讨了对粲强子三种衰变模式的研究,包括纯轻衰变、半轻衰变和强子衰变。BESIII实验利用特有的粲强子成对产生及阈值附近粲强子对的量子相干特性,采用粲强子标记技术,实现了对含有中微子、中子或KL介子等不可见粒子末态衰变模式的精细测量,提取了中性D介子强子衰变中的强相角信息,探测了粲重子中的衰变动力学信息。

基于正负电子对撞质心能量为3.773 GeV、4.18 GeV和4.6 GeV的高统计数据,BESIII实验在多个方向上开展了标准模型的高精度检验,比如对CKM矩阵元Vcs和Vcd的最精确测定,进而严格约束CKM矩阵元的幺正性;模型无关提取的中性D介子强子衰变的强相位差,成为国际上精确测量CP破坏相角gamma角的关键输入;通过含轻子衰变过程进行轻子普适性的严格检验。

此外,半轻衰变可以用来校准格点QCD计算的强子形状因子,并可以通过测量不同的粲强子衰变率来验证标准模型中的对称性和QCD理论中的非微扰机制。

特别是,BESIII实验首次利用近阈值数据,系统地研究了最轻粲重子Λc的产生和衰变性质,成为了BESIII实验研究的新前沿课题。

在今后几年里,粲物理研究仍将是BESIII实验的一个重要物理课题。在2022-2023年期间,BESIII实验上D介子的数量将增加7倍左右,可以预见,有关粲物理的相关测量精度将大大提高。BEPCII的亮度和最高能量升级已经陆续开展,主要的物理目标之一就是覆盖所有基态粲重子的研究。BESIII的粲物理研究是国际味物理研究的重要组成部分,作者相信BESIII实验将会基于更大的数据样本,取得更多研究成果,有助于我们更深入地理解宇宙和物质。

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