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质子、中子、超子——北京谱仪BESIII实验对重子内部结构的十年探索

2021-11-16 14:52     来源:中国科学杂志社     北京谱仪
大约十年前,中国科学技术大学黄光顺教授开始在北京谱仪BESIII实验中,组织量子色动力学(QCD)相关的精确测量与检验工作。由此组建的国际化研究团队利用正负电子湮没数据,测量了多种重子在类时区域的形状因子,揭示了重子内部的电磁分布,并有助于理解重子内部的相互作用。近日,黄光顺教授在《国家科学评论》(National Science Review, NSR)在线发表综述,总结了这一系列成果。该工作得益于共同作者、意大利国家核物理研究所资深研究员Rinaldo Baldini Ferroli博士的讨论与建议。

重子是强子的一种,可以看作是由三个夸克在强相互作用下组成的束缚态。质子和中子就是最轻的重子,它们统称核子,是宇宙中99%以上可见物质的组成成分,然而经过一百年的研究,它们的内部结构至今仍未被充分认识。如果核子中的一个或多个普通轻夸克被更重的夸克取代,所形成的重子就称为超子,如下图所示,自旋为1/2的SU(3)重子基态有八个成员,称为八重态。对超子的研究能够提供更多关于重子系统的信息。


SU(3)重子的夸克构成(上)及自旋为1/2的重子八重态(下)

项目开始时,黄光顺教授与中国科学院高能物理所的胡海明研究员共同制定了在质心能量2.0至3.08 GeV能区的实验计划,并成功在22个能量点获取了总积分亮度650 pb-1的正负电子对撞数据,为该能区世界上最大的数据样本。这是北京谱仪三十多年历史中第一个由大学主导的研究计划。随后,德国Helmholtz Institute Mainz (HIM)的Frank Maas教授、瑞典Uppsala大学的Tord Johansson教授率各自小组加入了研究工作。

多年来,该国际团队测量了多种重子的形状因子,并由此探索了重子结构:

科大组的夏磊博士、周小蓉博士及HIM组的王雅迪博士、Christoph Rosner博士合作完成了质子形状因子测量,得到了类时空间最精确的结果,解决了长期以来BaBar实验与PS170实验不一致的问题,并首次给出了质子的磁形状因子。此外,HIM组的Alaa Dbeyssi博士和林德旭博士利用更高能量获取的数据借助初态辐射方法独立测量了质子形状因子。

科大组的周小蓉博士、HIM的Paul Larin博士及华南师范大学的胡继峰博士合作完成了中子形状因子研究工作,大大提高了测量精度,解决了之前FENICE实验结果与理论预言冲突的困扰。研究发现,中子与质子的有效形状因子均存在有趣的振荡现象,并且二者之间明显存在相位差。

科大组的周小蓉博士和严亮博士测量了最轻的超子L的形状因子,发现近阈产生截面有异常增强效应,引发了理论上的广泛讨论。Uppsala组的Karin Schonning博士和李翠博士还测量了超子L的电形状因子与磁形状因子之间的相位差,首次实现了形状因子的完全测量,是超子研究中具有里程碑意义的工作。

自旋为1/2的SU(3)重子八重态中的其他成员中,同位旋三重态奇异重子S-、S0、S+由科大组的周小蓉博士和Muzaffar Irshad博士完成测量,同位旋二重态双奇异重子X-、X0由兰州大学的王雄飞教授及其学生温梁臻与科大组的博士生齐航共同完成。

科大组的王维平博士、周小蓉博士和高能所的宋维民博士首次测量了最轻的粲重子Lc的形状因子,并观测到近阈截面增强效应,基本排除了Belle实验看到的疑似共振态。

下图总结了国际上各研究组测量的多种重子对的产生截面谱形,其中的主要结果是由黄光顺教授领导的团队完成的。这些谱形大体上有一个共同特征,即:截面在产生阈从零到非零跳变,接着在较宽的范围为平台区,并最终随能量升高而下降。这些研究结果为理解重子内部结构及相互作用提供了新的实验数据。


重子-反重子对的产生截面随重子出射速度(质心能量)的变化关系

该研究受到国家自然科学基金重点项目、国家973计划项目、国家重点研发项目资助。目前研究成果已发表论文近20篇,其中包括Nature Physics 1篇、Phys.Rev.Lett. 3篇。

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