近日，北京正負電子對撞機上北京譜儀III實驗首次測量了X(2370)粒子的自旋宇稱量子數(shù)，結果為0-+。這一實驗結果支持X(2370)粒子是理論上預言的最輕贗標量膠球的解釋。論文于2024年5月2日以編輯推薦（Editor’s Suggestion）的方式發(fā)表在《物理評論快報》上(Phys. Rev. Lett. 132,181901 (2024))。
在粒子物理學標準模型中，膠子是傳播強相互作用的基本粒子。根據(jù)描述強相互作用的基本理論——量子色動力學的規(guī)范理論特性，膠子間可以存在自相互作用而形成束縛態(tài)——膠球。量子色動力學預言存在的膠球是自然界中唯一由基本粒子自相互作用形成的粒子。因此，在實驗上尋找膠球對檢驗量子色動力學理論具有非常重要的意義。
X(2370)粒子是2011年由時任中國科學院高能物理研究所研究員的金山教授與博士后黃燕萍合作在北京譜儀III實驗上通過研究J/ψ→γπ+ π- η'衰變過程中發(fā)現(xiàn)的新粒子，這是實驗上首次在J/ψ粒子的輻射衰變過程中觀測到與格點量子色動力學理論贗標量膠球預期質量一致的粒子。由于膠球被認為應該在J/ψ粒子的輻射衰變中豐富地產(chǎn)生，而且π+π- η'模式可能是贗標量膠球的主要衰變模式之一，這些產(chǎn)生和衰變性質都支持X(2370)粒子是膠球的解釋。因此在實驗上測定X(2370)粒子的自旋宇稱量子數(shù)對確認其是否為贗標量膠球至關重要。
在本分析中，北京譜儀III實驗利用約100億J/ψ粒子衰變的實驗數(shù)據(jù)，并利用J/ψ→γKS0KS0η'過程幾乎無物理本底的優(yōu)勢，首次完成了對X(2370)粒子的自旋宇稱分析，測得的自旋、宇稱、電荷共軛量子數(shù)為JPC=0-+，質量為2395±11(stat)-94+26 (syst) MeV/c2。實驗結果與格點量子色動力學理論中最輕的贗標量膠球預期 (質量為2395±14 MeV/c2) 一致。
這一實驗研究成果主要由高能所黃燕萍研究員和南京大學金山教授合作并指導高能所博士生張鵬完成。北京譜儀Ⅲ探測器維護和離線軟件團隊、北京正負電子對撞機加速器運行維護團隊在數(shù)據(jù)采集過程中的高效工作為本次發(fā)現(xiàn)提供了保障。
圖1: J/ψ粒子輻射衰變到X(2370)粒子示意圖
圖2: J/ψ→γKS0KS0η'?過程觀測到的KS0KS0η'?不變質量譜及其擬合結果。
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DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.181901
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