作为一种由正反粲夸克构成的束缚态，粲偶素因其独特的物理特性，为探索强相互作用规律提供了理想平台。《中国物理C》2025年第9期封面介绍了北京谱仪III实验依托τ-粲能区的领先优势，实现粲偶素  共振参数的高精度测量，完善了P波粲偶素精确谱学的“最后一片拼图”，对粲偶素精确理论检验有深远意义。同时，衰变分支比的精确测量为SU(3)味对称性及胶球的探索提供了启发。 人们对“物质究竟由什么构成”的追问很早就开始了。最初，人们认为世界是由不可再分的原子组成。后来，原子被发现还有更小的结构：电子绕着原子核旋转，而原子核里又包含质子和中子。再往下研究，20世纪物理学家们发现，除了质子、中子，还不断有新的成员，如π介子、K介子。短短几十年，几百种粒子相继被发现，世界的“积木”变得更加丰富。然而，这些粒子并非都是基本粒子。为了解释粒子世界，盖尔曼和茨威格于1964年提出了夸克模型，即所有强子都由更基本的“夸克”组成。质子和中子由3个夸克（u或者d）构成，夸克与反夸克结合还能形成介子。

起初，只需三种夸克——上（u）、下（d）、奇（s），就足以解释大部分已知的强子。然而1974年，美国布鲁克海文实验室和斯坦福直线加速器中心同时发现一个新的粒子：J/ψ粒子。它并不像π介子、K介子那样轻巧，而是一个非常“重”的介子，寿命也相对稳定。此发现称为粒子物理的“十一月革命”，因为它宣告了第四种夸克——粲夸克（c）的存在。J/ψ粒子正是由一对正反粲夸克结合而成的重介子，主要通过强相互作用力束缚形成，常被喻为强相互作用系统中的“氢原子”。
  粲夸克的出现，不仅让夸克家族成员扩充到四个（u、d、s、c），还开启了一个新的研究方向：粲偶素谱学。所谓“粲偶素”，就是粲夸克和反粲夸克结合在一起的粒子家族，J/ψ就是它们的“长子”。后来人们又陆续发现了更多成员，如ψ(2S)等，它们形成类似氢原子谱那样的能级结构。研究这些谱线，可以帮助科学家理解夸克之间的强相互作用规律。
粲偶素谱学的研究之所以备受粒子物理学家的青睐，与其独特的性质密不可分。首先，粲夸克本身比较重（通常称为重夸克），在粲偶素系统中其运动速度相对较慢。这样一来，科学家就能用比较简洁的理论工具去描述它们，用非相对论的势模型理论就可以很好地描述粲偶素系统，就像用牛顿力学就能很好地解释行星绕太阳公转一样。

其次，粲夸克的质量刚好落在一个“关键区间”。在强相互作用的理论——量子色动力学（QCD）中，有两种计算方法：一种叫“微扰方法”，在能量很高、相互作用比较弱时广泛使用且行之有效；另一种叫“非微扰方法”，针对低能量、相互作用强的情形，异常困难，是目前强相互作用研究的挑战。粲夸克的质量恰好处在这两种方法的过渡地带，这让粲偶素成为研究强相互作用的一个理想平台。另外，从粲偶素谱学得到的结论，对其他强相互作用系统也具有借鉴意义。正因为如此，半个多世纪以来，无数研究人员前仆后继不断探索这片迷人的领域。
  想象一下，如果我们想看清楚物质最深层的结构，就需要一种“超级显微镜”。我国自主设计、建造和运行的北京谱仪III（BESIII）实验就是这样一个大科学装置，见图2。北京正负电子对撞机（BEPCII）把电子和正电子分别加速到特定能量下使它们相撞。由于爱因斯坦的质能关系   ，这些高速粒子的能量会“变身”为新的粒子，就像打碎石头会溅出碎片。BESIII探测器则层层包围在对撞点周围，像3D高速相机一样记录下粒子的轨迹、能量和种类。科学家根据这些信息，把无形的碰撞结果“翻译”成清晰的物理图像，从而研究粲夸克世界与强相互作用的规律，甚至寻找那些可能超越标准模型的新粒子。
历经几代人的发展，目前BESIII是世界上正在运行的同类装置中，对撞亮度最高的实验。BESIII聚焦τ-粲能区这一独具特色的研究领域，产出了一系列国际前沿的成果。BESIII已经积累了世界上最大的ψ(2S)粲偶素粒子数据样本——多达2.7亿个，这为研究粲偶素谱学提供了一流的条件。利用海量的实验数据，BESIII研究了ψ(2S)通过发光的方式产生另一个粲偶素  的过程。  随后衰变为两个带电的轻介子——一对正反的 π 介子（π⁺π⁻），或者一对正反 K 介子（K⁺K⁻）。这些轻介子和辐射的光子就像  留下的“足迹”，BESIII探测器能把它们清晰地记录下来。科学家正是通过追踪这些足迹，一步步还原  的身世与秘密。图1示意了ψ(2S)辐射光子的跃迁过程。

  按照势模型理论的预言，开粲阈值以下的粲偶素态都已经被实验找到，并进入了一个“精密测量”的时代。P波自旋三重态 （） 是这类粒子中一组激发态，我们可以把它们想象成三个质量略有差异的“兄弟”。其中，  和  很早就被国外强子打靶/对撞实验测量得非常精确——质量误差仅约100 keV，宽度误差约200 keV。不过多年来，科学家对“  ”这位“小弟弟”的了解一直比较欠缺，主要原因是它辐射光子跃迁到更低能态J/ψ过程的分支比小，导致测量其关键参数的困难增加，精度远落后于另外“两位大哥”。

BESIII积累的高质量数据为完成这一测量提供了契机。在精确测量实验中，系统误差往往是最大的拦路虎。为了把系统误差控制到最低，BESIII实验的各个环节都需要一系列精心设计。比如把不同时期采集的数据样本仔细研究，挑选了质量最优质的部分用于共振参数测量；又比如，赝标量介子衰变末态（如π⁺π⁻、K⁺K⁻）在BESIII实验早已被研究得非常透彻，这有利于进一步降低系统误差；更巧妙的是，设计的反应过程中还能同时产生“兄弟粒子”  ，而  的信号清晰、产额充足，就成了校准质量刻度和探测分辨率的“天然标尺”。
 
图3展示了此次测量的结果。正是得益于这些环环相扣、精密设计的实验步骤，最终BESIII实现了共振参数的精确测量。相比过去的单项实验，BESIII的质量精度提高了4倍，宽度精度更是提升了一个数量级，如图4所示。如今，  的共振参数精度已经达到和 、同等的先进水平。

BESIII对  共振参数的精确测量，为P波粲偶素精确谱学拼上了最后一块关键的拼图，对科学家们准确研究粲偶素系统中强相互作用的规律、精确检验粲偶素辐射跃迁理论等具有深远的意义。更有趣的是，BESIII 同时精确测量了  衰变成两种介子对——π⁺π⁻ 和 K⁺K⁻的分支比，发现这两种衰变发生的概率几乎相等（测得的比值为 0.95）。这一结果比较好地印证了 SU(3)味对称性——一种描述不同轻夸克之间对称关系的理论。“胶球”是一种理论上预言的、由传播强相互作用的媒介粒子——胶子构成的神秘粒子，目前实验上尚没有确切发现。  作为一个典型的标量粒子，衰变行为与“标量胶球”有一定相似性，且衰变相空间大。  衰变过程中SU(3)味对称性的精确检验对研究胶球具有借鉴意义，为识别胶球提供了间接的实验参考。这进一步帮助我们探索物质最基本结构的奥秘。


作者介绍：
曾凡蕊 山东大学2022级博士研究生，研究方向为粲偶素、中微子。
刘智青 山东大学教授、博导，长期从事强子谱与奇特强子态的实验研究，任北京谱仪III实验物理协调人。
孙振田 山东大学副研究员，研究方向为轻强子谱、粲偶素和XYZ物理。

致谢：本文得到了山东省自然科学基金资助项目ZR2022JQ02的支持。期刊文章见原文链接。