|作者：郭玉萍1,? 劉智青2,?? 朱凱3,???

(1 復旦大學現(xiàn)代物理研究所)

(2 山東大學前沿交叉科學青島研究院)

(3 中國科學院高能物理研究所)

本文選自《物理》2025年第3期

摘要J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)不僅在理論上推動了標準模型的廣泛接受，還為后續(xù)粲偶素及類粲偶素的研究打開了大門。北京譜儀Ⅲ實驗在粲偶素與類粲偶素方面進行的研究包括但不局限于：尋找新的粒子，確定粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量與寬度、躍遷與衰變，尋找新的產(chǎn)生和衰變過程等，取得了一批重要的物理成果。文章將著重介紹北京譜儀Ⅲ實驗關(guān)于粲偶素與類粲偶素的代表性工作，包括精確測量ηc(1S)粒子共振參數(shù)、發(fā)現(xiàn)D 波自旋三重態(tài)ψ(13D2)、發(fā)現(xiàn)正負電子湮滅直接產(chǎn)生χc1(1P)、發(fā)現(xiàn)帶電四夸克粒子、矢量類粲偶素粒子與中性X(3872)粒子的系列前沿研究等。這些實驗結(jié)果豐富了人們對基本粒子世界的認識，有助于更深入地理解強相互作用與宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成。

關(guān)鍵詞J/ψ粒子，北京譜儀Ⅲ，粲偶素，類粲偶素

01

引 言

2024年6月24日，2023年度國家科學技術(shù)獎勵大會在人民大會堂隆重召開，“‘四夸克物質(zhì)’Zc(3900)的發(fā)現(xiàn)”榮獲國家自然科學獎二等獎。在中國科學院高能物理研究所的新聞通報中寫到：“……2013年，項目組利用該實驗在質(zhì)心系能量4.26 GeV采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個新的帶電粒子Zc(3900)。該粒子內(nèi)部至少含有4個夸克，首次以確切的實驗證據(jù)表明自然界存在多夸克物質(zhì)。……該成果是半個多世紀以來人們探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重大突破，被美國物理學會Physics雜志評選為11項‘年度亮點’重大進展之首并入選2013年‘中國科學十大進展’等國內(nèi)標志性重大科技成果。四夸克粒子的發(fā)現(xiàn)使得我國在該領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平，成果被寫入國外本科生英文教科書等，推動了相關(guān)學科的發(fā)展……”。

新聞稿中沒有提到的是，Zc(3900)粒子的發(fā)現(xiàn)與另一個粒子——J/ψ粒子——密不可分。實驗物理學家們不僅可以通過J/ψ粒子重建出Zc(3900)，并且通過Zc(3900)能衰變到J/ψ，從而推測出Zc(3900)內(nèi)部至少含有4個夸克。而J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)，則要追溯到50年前，一項引發(fā)了被稱為粒子物理“十一月革命”的重大發(fā)現(xiàn)。

讓我們把時光撥回到1974年。正是在那一年，美國布魯克海文國家實驗室的丁肇中和他領(lǐng)導的麻省理工學院團隊在質(zhì)子轟擊鈹靶的實驗中，清楚地觀察到總能量約為3.1 GeV的大質(zhì)量矢量介子，他們將其命名為J。此發(fā)現(xiàn)立即得到了斯坦福直線加速器中心由里克特領(lǐng)導的SLAC團隊進行的正負電子對撞實驗的確認。他們將這個由正負電子湮滅產(chǎn)生的、質(zhì)量約為3.1 GeV的中性粒子命名為ψ。比較數(shù)據(jù)后，實驗者們意識到他們實際上發(fā)現(xiàn)了具有相同量子特征的、類似光子但具有較大質(zhì)量的粒子，自那時起，這個粒子一直被稱為J/ψ粒子。兩個研究團隊決定同時公開他們的發(fā)現(xiàn)：于1974年11月11日向《物理評論快報》提交他們的論文[1—3]。

J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)對粒子物理學的發(fā)展和我們現(xiàn)在稱之為粒子物理標準模型的接受至關(guān)重要，其中包括稱為量子色動力學(QCD)的夸克—膠子規(guī)范理論和格拉肖—溫伯格—薩拉姆的電弱統(tǒng)一理論。

在J/ψ粒子發(fā)現(xiàn)之前，格羅斯和威爾切克在1973年證明無質(zhì)量規(guī)范場理論具有漸近自由性質(zhì)，已經(jīng)使許多理論物理學家相信強子是由參與強相互作用的分數(shù)電荷粒子所組成。之前這些粒子已經(jīng)在1964年獨立地由茨維格和蓋爾曼假設提出，并將其命名為夸克。然而，直到20世紀70年代初，因為從未在實驗中檢測到分數(shù)電荷的粒子，夸克的本體地位仍然非常有爭議。理論學家不得不假設夸克永久被困在其電荷為電子電荷整數(shù)倍的更大粒子中——這種性質(zhì)被稱為夸克禁閉。另一個問題則涉及夸克的數(shù)量。直到1970年，理論方案通?；谶@樣的假設，即有三種味道的夸克：上夸克、下夸克和奇異夸克。這三種夸克被認為是所有已觀察到的強子的基本組成部分。然而，在將格拉肖—溫伯格—薩拉姆電弱相互作用規(guī)范理論(成功地描述了輕子的相互作用)應用到夸克時出現(xiàn)了一些困難。1970年，格拉肖—伊利奧保羅斯—馬亞尼提出了一種基于存在稱為粲的第四種夸克的弱相互作用機制，即GIM機制，成功地解釋了夸克味道不變中性流的缺失。但沒有實驗證據(jù)直接表明存在其中假設的第四種夸克。

在發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子后，理論物理學家立即開始推測它的性質(zhì)(限于篇幅，此處略去他們所做的大量精彩卓絕的工作)。到1976年7月，人們一致認為J/ψ粒子就是粲夸克及其反夸克的最簡單束縛態(tài)。一旦大多數(shù)物理學家接受了J/ψ粒子的粲解釋，它的發(fā)現(xiàn)也就自然被認為是證明粲夸克存在的重要一步，同時也證明了GIM機制在電弱相互作用中的有效性。換句話說，J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)為格拉肖—溫伯格—薩拉姆統(tǒng)一的電弱相互作用理論和夸克膠子的規(guī)范場理論提供了實證證據(jù)[4—8]。1976年12月，在他們的成果首次公布兩年后，丁肇中和里克特被授予諾貝爾獎——“因為他們在發(fā)現(xiàn)一種新型重粒子方面所做的開創(chuàng)性工作”。為了強調(diào)這一發(fā)現(xiàn)的重要性，物理學家們將J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)及隨后其被解釋為正反粲夸克束縛態(tài)的事件稱為十一月革命”。

一些理論物理學家在此后發(fā)展了粲偶素模型——以類比電子—正電子對的束縛態(tài)來解釋J/ψ粒子的性質(zhì)。粲偶素模型令人滿意地解釋了觀察到的粒子長壽命和衰變性質(zhì)，并允許計算具有不同自旋、宇稱的正反粲夸克的其他共振態(tài)的性質(zhì)。之后多個實驗組發(fā)現(xiàn)了許多與粲偶素模型計算性質(zhì)相一致的粒子，為理論模型的有效性提供了進一步的證據(jù)。但物理學家們也發(fā)現(xiàn)，目前還存在眾多與理論模型不一致的實驗結(jié)果，特別是在粲介子對質(zhì)量閾值以上發(fā)現(xiàn)的一類新的、與粲偶素類似但很可能并非粲偶素的粒子，預示我們對此能區(qū)的物理還有相當多不了解之處。除了理論上的努力之外，還需要更多的實驗數(shù)據(jù)。而北京譜儀Ⅲ(BESⅢ)的粲偶素物理工作組在此領(lǐng)域進行了大量的測量工作，得到了一系列有價值的結(jié)果。接下來的兩章將分別介紹BESⅢ實驗關(guān)于粲偶素與類粲偶素的一些具有代表性的工作。

02

BESⅢ上的粲偶素研究

2.1 正負電子對撞實驗上的粲偶素產(chǎn)生機制

粲偶素指由一對正反粲夸克()組成的介子，正反粲夸克總自旋角動量及其之間軌道角動量的不同組合構(gòu)成了粲偶素家族。粲偶素家族中第一個被發(fā)現(xiàn)的粒子就是J/ψ粒子。J/ψ粒子的量子數(shù)為J PC=1--(J 表示粒子的自旋，P表示宇稱，C表示電荷共軛宇稱)，是矢量粒子，在SPEAR加速器上是通過電子和正電子碰撞湮滅產(chǎn)生的。利用相同的產(chǎn)生機制，通過調(diào)整發(fā)生碰撞的電子和正電子的能量，同年，J/ψ粒子的徑向激發(fā)態(tài)粒子ψ(2S)也在SPEAR上被發(fā)現(xiàn)。在正負電子對撞實驗中，電子和正電子主要通過一個虛光子湮滅產(chǎn)生矢量粒子，其他量子數(shù)的粲偶素通常由矢量粲偶素通過輻射躍遷或者強子躍遷產(chǎn)生，例如J/ψ→γηc(1S)，ψ(2S)→π0hc(1P)等[9]，其中ηc(1S)是S 波自旋單態(tài)，J PC=0-+，hc(1P)是P 波自旋單態(tài)，J PC=1+-。在正負電子對撞機上，如果電子和正電子交換兩個虛光子發(fā)生相互作用，可以直接產(chǎn)生量子數(shù)JPC=0-+, 0++, 1++, 2++等電荷共軛宇稱數(shù)值為正的粒子，但其產(chǎn)生幾率比通過湮滅產(chǎn)生矢量粒子的幾率要低幾萬倍。

北京譜儀BESⅢ實驗自2008年開始采集正負電子對撞數(shù)據(jù)以來，累計采集了27億ψ(2S)事例和100億J/ψ事例，是目前世界上靜止產(chǎn)生的最大的J/ψ和ψ(2S)樣本，同時在質(zhì)心能量位于3.5—4.95 GeV之間的一百多個能量點采集了積分亮度約為46 fb-1的正負電子對撞數(shù)據(jù)，為研究粲偶素粒子的基本性質(zhì)和尋找尚未發(fā)現(xiàn)的激發(fā)態(tài)粲偶素提供了獨一無二的數(shù)據(jù)樣本。基于這些數(shù)據(jù)，BESⅢ實驗精確測量了ηc(1S)粒子的共振參數(shù)，精確測量了hc(1P)粒子的共振參數(shù)與衰變幾率，發(fā)現(xiàn)了磁偶極躍遷過程ψ(2S)→γηc(2S)，發(fā)現(xiàn)了hc(1P)粒子輻射衰變到輕強子過程hc(1P)→γη'，發(fā)現(xiàn)了D波自旋三重態(tài)粒子ψ(13D2)，發(fā)現(xiàn)了正負電子湮滅直接產(chǎn)生JPC=1++的粒子χc1(1P)等等。這些發(fā)現(xiàn)得益于BESⅢ實驗采集的大統(tǒng)計量數(shù)據(jù)和BESⅢ探測器優(yōu)異的性能，為檢驗量子色動力學理論模型和理解強相互作用的非微擾機制提供了標桿。

2.2 ηc(1S)粒子共振參數(shù)的精確測量

ηc(1S)是粲偶素家族的基態(tài)粒子，1980年，MARKII實驗通過輻射躍遷過程ψ(2S)→γηc(1S)首次發(fā)現(xiàn)了ηc(1S)，測量了其質(zhì)量M=2980±8 MeV/c2和90%置信度下的寬度上限Γ<40 MeV/c2[10]。隨后的30年中，不同實驗組通過B介子衰變、雙光子過程產(chǎn)生、質(zhì)子—反質(zhì)子湮滅產(chǎn)生等方式對ηc(1S)粒子的質(zhì)量和寬度進行了測量，但通過輻射躍遷過程測量的結(jié)果與其他機制測量的結(jié)果存在很大差異，輻射躍遷過程測量的質(zhì)量更高、寬度更大[11]。2009年，CLEO實驗組基于2450萬ψ(2S)事例，在J/ψ和ψ(2S)粒子的輻射躍遷過程中觀測到ηc(1S)粒子共振譜形存在嚴重的左右不對稱現(xiàn)象，并將其歸因于磁偶極躍遷振幅對輻射光子能量的依賴[12]。

圖1 6個強子衰變過程中觀測到的ηc(1S)信號區(qū)附近的不變質(zhì)量譜以及考慮了ηc(1S)共振態(tài)衰變與JPC=0-+非共振態(tài)振幅干涉的擬合結(jié)果

利用2009年采集的1.06億ψ(2S)事例，BESⅢ實驗通過6個主要強子衰變末態(tài)來重建ηc(1S)，從數(shù)據(jù)中觀測到約7000個ηc(1S)事例，確認了CLEO實驗發(fā)現(xiàn)的ηc(1S)共振譜形左右不對稱現(xiàn)象，如圖1所示[13]，共振譜形不對稱現(xiàn)象無法使用躍遷振幅對輻射光子能量的依賴進行解釋。而ηc(1S)衰變振幅與JPC=0-+連續(xù)振幅之間的干涉效應可以完美地描述共振譜形的不對稱現(xiàn)象，干涉現(xiàn)象的統(tǒng)計顯著性為15σ。BESⅢ實驗精確測量了ηc(1S)的質(zhì)量和寬度，結(jié)果分別為M=(2984.3±0.6±0.6) MeV/c2和Γ =(32.0±1.2±1.0) MeV，是當時世界上20余個測量中精度最高的結(jié)果，并保持到了2020年。BESⅢ測量的質(zhì)量中心值比當時世界平均值高3.3 MeV/c2；寬度的結(jié)果與通過其他產(chǎn)生機制測量得到的結(jié)果更接近，表明此前通過粲偶素輻射過程測量的結(jié)果存在偏差，原因在于實驗測量中沒有考慮共振態(tài)衰變與非共振態(tài)振幅的干涉效應，成功解釋了此前不同產(chǎn)生機制中測量結(jié)果不一致的疑難。

2.3 發(fā)現(xiàn)D 波自旋三重態(tài)ψ(13D2)

粲夸克質(zhì)量(1.3 GeV/c2)比的結(jié)合能(幾百MeV)大很多，因此可以使用非相對論量子力學方法求解粲偶素能譜，常用的描述夸克間相互作用勢的勢模型是V(r)=-α/r+kr。根據(jù)勢模型計算，D波粲偶素共有4個，包括1個自旋單態(tài)ψ(11D2)和3個自旋三重態(tài)ψ(13D1,2,3)。其中，ψ(13D1)是矢量粒子，實驗上觀測到的ψ(3770)被普遍認為是ψ(13D1)態(tài)。ψ(13D2)態(tài)的量子數(shù)JPC=2--。2013年位于日本KEK的Belle實驗在B介子衰變中發(fā)現(xiàn)了一個新粒子X(3823)，統(tǒng)計顯著度為3.8σ[14]，其質(zhì)量M=(3823.1±1.8±0.7) MeV/c2，主要衰變到γχc1末態(tài)，這些性質(zhì)與理論預言的ψ(13D2)態(tài)性質(zhì)相符。因此X(3823)被認為是ψ(13D2)態(tài)很好的候選者。

圖2 BESⅢ實驗發(fā)現(xiàn)的X(3823)信號。圖中左側(cè)的共振態(tài)峰為ψ(2S)，右側(cè)為ψ(13D2)

利用質(zhì)心能量位于4.19—4.6 GeV之間數(shù)據(jù)樣本(數(shù)據(jù)積分亮度為4.67 fb-1)，BESⅢ實驗對ψ(13D2)粒子進行了實驗尋找?？紤]到ψ(13D2)粒子的量子數(shù)以及衰變模式，BESⅢ的研究通過e+e-→π+π-X，X→γχc1(1P)過程開展。首次以超過5σ的顯著度觀測到了X(3823)，確認了該粒子的存在，如圖2所示[15]。BESⅢ實驗測量的X(3823)質(zhì)量為(3821.7±1.3±0.7) MeV/c2，與Belle實驗的測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。利用質(zhì)心能量位于4.23—4.7 GeV之間采集的新數(shù)據(jù)樣本，2022年BESⅢ實驗更新了對ψ(13D2)的測量，提高了質(zhì)量的測量精度，同時在e+e-→π+π-ψ(13D2)反應截面線型上發(fā)現(xiàn)共振結(jié)構(gòu)[16]。

2.4 發(fā)現(xiàn)正負電子湮滅直接產(chǎn)生χc1(1P)

在正負電子對撞機上，電子和正電子交換兩個虛光子可以直接產(chǎn)生C宇稱為正的粒子，但是一直未在實驗上被證實。自1988年起，位于VEPP-2M和VEPP-2000加速器上的ND實驗、SND實驗和CMD-3實驗，先后對多個C宇稱為正的輕強子在正負電子湮滅中的直接產(chǎn)生過程進行了尋找，但均未發(fā)現(xiàn)信號。正負電子湮滅直接產(chǎn)生C宇稱為正粒子的幾率與其電子寬度Γee成正比，理論上對χc1(1P)電子寬度的預言依賴于模型，但在0.1—0.5 eV之間。此外，e+e-→χc1(1P)過程與本底過程間可能存在干涉效應，從而改變其產(chǎn)生截面的線型，使得產(chǎn)額最大的能量點從χc1(1P)峰值(3.510 GeV)下移到3.509 GeV處[17]，如圖3所示。

圖3 BESⅢ實驗觀測到的e+e-→χc1(1P)和e+e-→γISRμ+μ-過程的總截面。其中，圖中灰色虛線表示信號過程與本底過程沒有干涉情況下的總截面，藍色和綠色虛線表示存在干涉情況下的總截面，帶誤差棒的點代表數(shù)據(jù)測量結(jié)果，紅線表示本底過程

BESⅢ實驗團隊于2013年提出在χc1(1P)峰值附近采集數(shù)據(jù)的計劃，用于尋找正負電子湮滅交換兩個虛光子直接產(chǎn)生χc1(1P)過程，實驗數(shù)據(jù)于2017年采集完成，3周內(nèi)在4個能量點采集了積分亮度為445 pb-1的數(shù)據(jù)。當制定數(shù)據(jù)采集計劃時，充分考慮到了e+e-→χc1(1P)過程與本底過程間可能存在的干涉效應，在3.5080—3.5104 GeV處分別采集了積分亮度約為180 pb-1的數(shù)據(jù)，在3.5097—3.5146 GeV處數(shù)據(jù)樣本大小約為40 pb-1。χc1(1P)粒子使用其黃金衰變模式γJ/ψ，J/ψ→μ+μ-進行重建，BESⅢ實驗發(fā)現(xiàn)了e+e-→χc1(1P)過程[18]，統(tǒng)計顯著度為5.1 σ，同時發(fā)現(xiàn)信號過程與本底過程之間存在顯著的干涉效應。BESⅢ實驗還首次測量了χc1(1P)粒子的電子分寬度，Γee=。這是歷史上首次在正負電子湮滅過程中觀測到量子數(shù)與矢量粒子不同的粒子，提供了測量粒子輕子寬度的新實驗方法，可以對其他類似粒子，例如χc2(2P)、X(3872)等進行測量。

03

BESⅢ上的類粲偶素研究

3.1 類粲偶素簡介

J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)，不僅證實了自然界存在第四味粲夸克，同時也打開了粲偶素譜這個新的研究領(lǐng)域。在長達50年的時間中，人們在理論和實驗兩方面對粲偶素譜進行研究并取得許多前沿進展。步入21世紀，隨著B介子工廠、陶—粲工廠等高亮度正負電子對撞機實驗的陸續(xù)運行，人們在粲偶素能區(qū)發(fā)現(xiàn)了越來越多的新粒子，比如日本Belle實驗發(fā)現(xiàn)的X(3872)[19]、美國BaBar實驗發(fā)現(xiàn)的Y(4260)[20]等。這些新發(fā)現(xiàn)的粒子，一方面在勢模型理論[21]預言的粲偶素能譜上很難找到對應的譜線，另一方面和普通粲偶素粒子的性質(zhì)迥異。基于這些原因，很難把它們歸類為粲偶素粒子。考慮到它們的質(zhì)量位于粲偶素能區(qū)，人們稱之為類粲偶素粒子(亦稱XYZ粒子)。

類粲偶素粒子之所以吸引了人們極大的關(guān)注，是因為它們很可能是一類新型強子態(tài)的候選者。眾所周知，1964年提出的夸克模型[22]認為3個夸克構(gòu)成重子，2個正反夸克構(gòu)成介子。雖然當時也提到了更多夸克組成粒子的可能性，但是實驗上發(fā)現(xiàn)的粒子都能用3個夸克和2個夸克來解釋。1973年發(fā)展起來的量子色動力學(QCD)理論是一個規(guī)范場論，它允許存在結(jié)構(gòu)比重子和介子更復雜的粒子，例如多個夸克構(gòu)成的多夸克態(tài)，夸克和膠子(傳播強相互作用的媒介粒子)形成的混雜態(tài)，甚至由純膠子構(gòu)成的膠子球等。所有這些新型的粒子統(tǒng)稱為奇特態(tài)。理論上雖然預言了奇特態(tài)粒子，但是多年來一直未有確切的實驗證據(jù)表明奇特態(tài)粒子的存在。直到類粲偶素粒子的發(fā)現(xiàn)，人們紛紛覺得它們應該就是長期搜尋的奇特態(tài)。這個觀點在北京譜儀Ⅲ實驗發(fā)現(xiàn)帶電類粲偶素粒子Zc(3900)[23]時得到了進一步的確認。

3.2 帶電四夸克粒子的發(fā)現(xiàn)

實驗上尋找奇特態(tài)粒子時，需要有別于普通粒子的關(guān)鍵特征。位于3—5 GeV能區(qū)的類粲偶素粒子，內(nèi)部應當含有一對正反粲夸克。倘若該類粲偶素粒子帶有電荷，那么它必定不是普通的粲偶素——因為粲偶素都是電中性的。因此，實驗上尋找?guī)щ婎愻优妓亓Ｗ映蔀榱恕懊盁煹臉尅?smoking gun)，它們是奇特態(tài)存在最有力的證據(jù)。

圖4 (a)北京譜儀Ⅲ測量的Zc(3900)粒子質(zhì)量譜；(b)美國Physics雜志設計的Zc(3900)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

早在2008年，日本Belle實驗曾宣布發(fā)現(xiàn)一個帶電類粲偶素粒子Z(4430)[24]。然而令人遺憾的是，次年該粒子被美國BaBar實驗在相同的物理過程中否定[25]，直到2014年才重新被LHCb實驗用振幅分析方法確認[26]。2013年，北京譜儀Ⅲ通過在正負電子質(zhì)心系能量4.26 GeV采集的525 pb-1數(shù)據(jù)樣本，發(fā)現(xiàn)了一個新的帶電類粲偶素粒子Zc(3900)[23]。圖4(a)顯示了北京譜儀Ⅲ測量的Zc(3900)質(zhì)量譜。要解釋Zc(3900)帶電的特征，在含有正反粲夸克的基礎上，至少需要引入一對額外正反夸克。如此一來，Zc(3900)就是一個含有4個夸克的奇特態(tài)粒子。圖4(b)是美國Physics雜志設計的Zc(3900)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。Zc(3900)的發(fā)現(xiàn)隨后得到了日本Belle實驗[27]、美國CLEO-c實驗[28]以及美國D0實驗[29]的證實，因此它的存在是確定無疑的。美國Physics雜志和英國Nature雜志評價“Zc(3900)是第一個確認的四夸克粒子”[30，31]。繼Zc(3900)發(fā)現(xiàn)之后，北京譜儀Ⅲ實驗又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了Zc(4020)[32]和Zcs(3985)[33]等更多的四夸克粒子。

3.3 矢量類粲偶素粒子

正負電子對撞通過湮滅成虛光子進而產(chǎn)生粲偶素粒子。在這個過程中，末態(tài)粲偶素粒子和光子具有相同的對稱性質(zhì)，即它們的自旋和宇稱量子數(shù)都是1--，被稱為矢量粒子。第一個矢量類粲偶素粒子Y(4260)由美國BaBar實驗發(fā)現(xiàn)。它的質(zhì)量約為4.26 GeV，在粲偶素譜上很難找到對應的譜線，且在含有正反粲夸克對的所謂隱粲末態(tài)中被發(fā)現(xiàn)。這些性質(zhì)和勢模型的理論預期有很大的矛盾。之前格點QCD理論計算出含粲夸克對的混雜態(tài)粒子質(zhì)量約為4.28 GeV[34]，因此Y(4260)粒子一度被認為是一個混雜態(tài)。

圖5 北京譜儀Ⅲ(a)和BaBar(b)測量的Y(4260)粒子線型

北京譜儀Ⅲ實驗是一臺對稱的正負電子對撞實驗，能夠在陶—粲能區(qū)進行高精度的掃描。2017年，北京譜儀Ⅲ通過精確測量，發(fā)現(xiàn)了Y(4260)粒子存在精細結(jié)構(gòu)[35]，測量的質(zhì)量比BaBar實驗低很多，改變了人們對該粒子的認識。圖5顯示了北京譜儀Ⅲ和BaBar實驗測量的Y(4260)粒子線型，可以看到北京譜儀Ⅲ的結(jié)果顯示出雙結(jié)構(gòu)的復合線型。后來通過一系列高精度的測量，還發(fā)現(xiàn)了Y(4260)粒子的顯粲衰變過程。這些對Y(4260)粒子本質(zhì)的理解產(chǎn)生了重要影響。

除Y(4260)以外，北京譜儀Ⅲ利用自身的獨特優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)了多個新的矢量類粲偶素粒子，包括Y(4390)[36]、Y(4500)[37]、Y(4710)[38]、Y(4790)[39]等，其本質(zhì)尚待研究。所有這些新發(fā)現(xiàn)的類粲偶素粒子，加上已知的粲偶素粒子，個數(shù)已經(jīng)大大超過了勢模型理論的預期，這意味著這些粒子中必定存在奇特態(tài)。

3.4 中性X(3872)粒子

X(3872)粒子是第一個被發(fā)現(xiàn)的類粲偶素粒子，它于2003年被日本Belle實驗在B介子衰變過程中觀測到。而后，世界上多個合作組紛紛對它開展研究。X(3872)粒子的自旋宇稱量子數(shù)和勢模型預言的粲偶素粒子χc1(2P)一致。然而實驗上測量的質(zhì)量卻比理論預期低得多，且X(3872)是個非常窄的粒子，這些都和理論預期有巨大差別。另一方面，X(3872)粒子的衰變性質(zhì)也很古怪，存在非常大的同位旋破壞效應，這在通常的粲偶素粒子中非常罕見(概率約為千分之一)。由于X(3872)粒子這一系列不同尋常的行為，人們認為它不是普通的粲偶素粒子，而是一個奇特態(tài)。

考慮到X(3872)粒子的質(zhì)量非常靠近一對中性DD*介子的質(zhì)量閾值，人們推測X(3872)可能是一個由DD*介子通過殘余的核力松散束縛的粒子，稱為分子態(tài)[40]。這一解釋得到了比較多的實驗證據(jù)支持，例如X(3872)有非常大的DD*衰變概率(約50%)等[41]。然而也和實驗觀測存在一些矛盾，例如在高能量強子對撞中的高產(chǎn)額問題[42]。目前，人們似乎更傾向于將X(3872)解釋成分子態(tài)與粲偶素的混合[43]。另外，也有理論將X(3872)解釋成一個四夸克態(tài)的粒子[44]。圖6顯示了X(3872)粒子的兩種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 X(3872)粒子可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：(a)分子態(tài)；(b)四夸克態(tài)

北京譜儀Ⅲ實驗在X(3872)的研究方面起步較晚。2014年，首次通過輻射躍遷過程觀測到X(3872)粒子信號[45]。雖然北京譜儀Ⅲ產(chǎn)生X(3872)的截面較低，統(tǒng)計量和其他實驗相比沒有優(yōu)勢，但是可以進行非常有特色的研究。北京譜儀Ⅲ測量了X(3872)的輻射躍遷產(chǎn)生截面，結(jié)果強烈地支持X(3872)粒子信號來自Y(4260)粒子的衰變[46]。這一新的實驗觀測首次把兩個不同的類粲偶素粒子聯(lián)系起來，揭示了它們的本質(zhì)存在共同點[47]，為理解類粲偶素粒子提供了嶄新的思路。

04

結(jié) 語

毫不夸張地說，作為基態(tài)矢量粲偶素，J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)為后繼粲偶素及類粲偶素的研究打開了大門、鋪平了道路，而BES，BESⅡ，BESⅢ合作組將粲偶素能區(qū)的實驗在廣度與深度上都極大向前推進。如前文所述，BES實驗研究粲偶素與類粲偶素的性質(zhì)，其研究內(nèi)容包括但不局限于：尋找新的粒子態(tài)、確定粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、測量它們的質(zhì)量與寬度、測量它們的躍遷與衰變、尋找新的衰變過程，并取得了一批重要的物理成果。這些實驗結(jié)果豐富了我們在此能區(qū)的知識，有助于更加深入地理解強相互作用與宇宙中的物質(zhì)構(gòu)成。最近BESⅢ實驗獲取了27億的ψ(2S)的峰上數(shù)據(jù)，遠遠超過世界上其他實驗室。并且，在即將完成的BEPCⅡ升級之后，BESⅢ計劃在4 GeV以上獲取更多的掃描數(shù)據(jù)。在不遠的將來，BESⅢ必將產(chǎn)出一批新的重要物理成果。

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紀念粲夸克發(fā)現(xiàn)50周年及北京譜儀Ⅲ實驗專題

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