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BESIII实验观察到一个新的矢量粒子 Y(4500) | CPC封面文章解读

发布时间: 2022/11/04
封面文章解读:
      CPC 2022年第11期封面故事介绍了北京谱仪III(BESIII)观察到一个新的矢量粒子Y(4500) ,这很可能是首个被发现的含奇异夸克的矢量奇特态强子。奇特态强子的研究一直是国际上一个前沿领域,虽然实验上不断发现奇特态强子的信号,但目前还没有一种公认的理论可以解释这些实验现象,因此对奇特态强子的研究有助于我们进一步理解奇妙的微观世界。

两个或三个夸克组成的传统强子
       早在二千多年前,古希腊哲学家就提出了世界是由不可分的微粒(原子)构成的理念;然而对于物质的基本构成的问题,时至今日也没有完全清楚的答案。现代粒子物理标准模型将宇宙的构成用61种基本粒子(包括反粒子在内)来解释。在这些基本粒子之中,夸克通过强相互作用形成强子。质子和中子是众多强子中大家比较熟悉的两个例子,它们属于强子中的一个大类——重子。强子中的另一大类则称为介子。介子由正反两个夸克组成,而重子则是由三个夸克组成的强子。

      目前为大家所公认的几百种强子中,不是介子就是重子,尚无其他种类的强子被大家所理解认可。但是:为什么强子只能由两个或者三个夸克组成呢?四个、五个、甚至六个夸克能组成强子吗?
 
多个夸克组成的XYZ奇特态强子
      上世纪五六十年代,物理学家们已经认识到介子和重子只是结构最基本的强子,同时也预言了存在诸如四个、五个、甚至更多夸克组成的强子。这种区别于传统的介子和重子,一般以XYZ命名,并称其为奇特态强子,如图1所示。其中Z粒子带电,Y粒子是矢量粒子,剩下的不清楚的以X粒子命名。本世纪以来,实验上已经观测到一些奇特态强子的候选者,但他们是否是真的多夸克奇特态还未可知,它们的内部结构、产生与衰变机制也还是未解之谜,需要理论和实验物理学家们更深入的研究。
图1:两夸克组成的介子、三夸克组成的重子、四夸克或者五夸克组成的奇特态强子结构示意图

运行在粲能区的BESIII
       北京谱仪III(BESIII)是运行在北京正负电子对撞机II(BECPII)上的通用大型磁谱仪,通过测量正负电子对撞产生的次级粒子来研究物质微观结构和相互作用性质。由于BEPCII的对撞质心能量覆盖了从2000到5000 兆电子伏特的范围,BESIII成为研究含粲夸克奇特态的绝佳场所。如同我们可以根据葡萄的甜度、颜色、个头等将之分类一样,根据夸克的电荷与质量我们可以将之分为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克六种不同“味道”的夸克。其中粲夸克属于比较“重”的夸克,它的质量约为一千多兆电子伏特;上夸克与下夸克属于比较“轻”的夸克,质量仅为几兆电子伏特;而奇异夸克的质量介于它们之间,为上百兆电子伏特。图2示意了这四种夸克的质量。
图2:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克的质量示意图,圆球的体积大约正比于各夸克的质量。

       由于粲夸克的质量较大,按量子场论的观点,相较于上、下夸克而言,更不容易从真空中被“拽”出来,因此粲夸克可被视为更确定的组分夸克而存在。在2013年,BESIII国际合作组在正负电子湮灭到 π+π-J/ψ 的过程中,首先在 π   J/ψ 的组合中发现了带电的 Zc(3900)。这里的 π 是由上、下夸克组成的轻介子,而 J/ψ 是由正反粲夸克组成的重介子(也被称为粲偶素)。由于 Zc(3900)的夸克组分里明显含有正反粲夸克对且带电,因此至少需要四个夸克组成,是奇特态强子的有力候选者。此发现被《物理》杂志评为当年十一个最重要的物理发现之首。
 
BESIII 观测到新的奇特态强子  
        Zc(3900) 发现之后,一个自然的联想是:把上夸克或者下夸克替换成更重的奇异夸克,是否会产生新的奇特态?前不久,在LHCb和BESIII上发现了的数个 Zcs态,它们很有可能就是含奇异夸克的奇特态。《中国物理C》期刊上的这篇封面文章报道了BESIII测量了正负电子湮灭到K+K-J/ψ  过程的产生截面(其中K±均是由上夸克、奇异夸克组成的介子),并以极高的统计显著性首次观察到一个新的矢量粒子Y(4500)   ,如图3所示。这很可能是首个被发现的含奇异夸克的矢量奇特态强子。

图3:正负电子湮灭到K+K-J/ψ  过程产生截面随能量的分布图。在质心能量为 4230 和 4500 兆电子伏附近,两个峰状结构清晰可见。其中误差棒是数据,曲线是拟合函数的形状。

        在粒子物理实验中,截面反映的是发生某个特定物理过程的概率——截面越大,则发生此种过程的概率越大。BESIII国际合作组在28个不同能量点收集了大量的正负电子对撞事例,并在每个能量点测量了正负电子湮灭到K+K-J/ψ 过程的产生截面,测量结果如图3中带误差棒的黑点所示。从图3中也可以看出,截面的分布并不平滑,两个突起的峰状结构异常显眼,说明在相应的能区此反应过程发生的概率显著增强了。这种显著增强的现象通常被物理学家们认为是有共振态存在的证据——就好比一段平滑的水流在某处突然出现波浪,常是因为河床变窄或者水底有礁石。


       考虑到共振态与连续过程及共振态之间的干涉效应,物理分析人员构造了特殊的函数来拟合这些截面的形状,并从中抽取了两个共振态的质量与宽度。其中质量较大的那个共振态由于其质量接近4500兆电子伏特,再加上它是由正负电子对撞直接产生,只能是一个矢量粒子,因此被命名为 Y(4500)  。


图4:产生Y(4500) 的过程和可能结构的示意图

        这个新发现的粒子态,它既不落入由夸克模型计算得到的粲偶素能谱之中,也不出现在正负电子湮灭到任意末态截面的峰状结构中,因此是奇特态强子的有力候选者。再考虑到 K 介子的组分夸克里包含奇异夸克, Y(4500) 极有可能是首次在实验上观测到的、含奇异夸克的矢量奇特态强子。图4展示了  的产生过程以及一些可能的内部结构。  的发现,将为物理学家们理解奇特态强子的产生、衰变机制以及内部结构提供新洞见。

     需要指出,该封面文章还确认了  Y4230 也能衰变到  K+K-J/ψ  末态,说明  Y4230  可能也存在不可忽视的奇异夸克成分。此次新的测量结合以前对  Y4230 的测量结果,将有助于我们进一步理解此奇特态强子的本性。

     本文受到国家重点研究发展计划(2020YFA0406301)基金支持,表示感谢。

期刊文章链接:http://cpc.ihep.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-1137/ac945c#FullText_View