清華新聞網(wǎng)3月31日電 歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上的底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）近期在底介子衰變中的三體系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的奇異粲介子的激發(fā)態(tài)。清華大學(xué)工物系近代物理研究所博士研究生陳晨主導(dǎo)了本次新發(fā)現(xiàn)的具體分析工作，張黎明副教授和楊振偉副教授指導(dǎo)了此次發(fā)現(xiàn)過(guò)程，英國(guó)華威大學(xué)物理系的蒂莫西·格申（Timothy Gershon）教授也參與了指導(dǎo)。
利用了LHCb實(shí)驗(yàn)在2016-2018年采集的質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞數(shù)據(jù)，陳晨與LHCb清華團(tuán)隊(duì)一起研究了底介子的一個(gè)四體衰變過(guò)程，衰變末態(tài)包括正反粲介子對(duì)（D+D-）、一個(gè)奇異介子（K+）和一個(gè)派介子（pi-）。在分析三體系統(tǒng)（D+K+pi-）的不變質(zhì)量譜中時(shí)，意外地觀(guān)測(cè)到一個(gè)全新的共振結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的研究測(cè)量了這個(gè)共振結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)，結(jié)果表明它與奇異粲介子主量子數(shù)為2的徑向激發(fā)態(tài)相符。由于這個(gè)新粒子的質(zhì)量大約為2590 MeV（近乎質(zhì)子質(zhì)量的三倍），帶一個(gè)單位的正電荷，并且自旋為零，所以被命名為Ds0(2590)+。粲介子家族喜添新丁。
LHCb實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新的奇異粲介子
介子與重子是強(qiáng)子的兩大門(mén)類(lèi)，都是夸克通過(guò)強(qiáng)相互作用束縛形成的微觀(guān)粒子。大家耳熟能詳?shù)馁|(zhì)子和中子都屬于重子，由三個(gè)夸克組成；而介子則由一個(gè)正夸克和一個(gè)反夸克組成，例如奇異粲介子的組分夸克是一個(gè)粲夸克（c）和一個(gè)奇異反夸克（s[bar]）。類(lèi)似于氫原子的譜結(jié)構(gòu)，相同夸克組分的系統(tǒng)可以構(gòu)成一類(lèi)粒子，這類(lèi)粒子擁有不同的質(zhì)量、主量子數(shù)、軌道量子數(shù)和自旋量子數(shù)等。其中，能量最低的粒子被稱(chēng)為基態(tài)，其他為激發(fā)態(tài)。理論方面對(duì)于強(qiáng)子激發(fā)態(tài)以及它們的性質(zhì)有所預(yù)言，但由于強(qiáng)相互作用在低能區(qū)的非微擾特性，理論預(yù)言不確定度較大。實(shí)驗(yàn)上尋找強(qiáng)子激發(fā)態(tài)并測(cè)量它們的性質(zhì)，對(duì)驗(yàn)證理論模型和指導(dǎo)理論計(jì)算有著非常重要的意義。
位于歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是目前世界上能量最高的粒子加速器。LHCb是其上的大型實(shí)驗(yàn)裝置之一，致力于精確測(cè)量重味強(qiáng)子（即含粲夸克或底夸克的強(qiáng)子）的性質(zhì)，以期探索宇宙中正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)之謎、尋找超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，理解強(qiáng)相互作用等。清華大學(xué)于2000年加入LHCb，在探測(cè)器電子學(xué)和物理研究不斷作出重要貢獻(xiàn)。在LHCb探測(cè)器建造時(shí)，工物系電子學(xué)團(tuán)隊(duì)參與了觸發(fā)電子學(xué)的研制；在當(dāng)前正在進(jìn)行的LHCb探測(cè)器升級(jí)中，工物系電子學(xué)團(tuán)隊(duì)為閃爍光纖徑跡探測(cè)器前端電子學(xué)讀出系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)作出了重要貢獻(xiàn)。近年來(lái)，LHCb清華組在物理研究方面取得了一系列有國(guó)際影響力的研究成果，除了本次新發(fā)現(xiàn)的奇異粲介子激發(fā)態(tài)，之前曾在五夸克態(tài)和雙粲重子的發(fā)現(xiàn)及后續(xù)研究中作出了重要貢獻(xiàn)。2022年LHCb將完成升級(jí)，開(kāi)始新一輪的數(shù)據(jù)采集，期待這些海量數(shù)據(jù)會(huì)帶來(lái)更多令人激動(dòng)的新發(fā)現(xiàn)。
本次研究相關(guān)成果于2021年3月26日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letters）。
本次研究是由清華大學(xué)研究人員主導(dǎo)、LHCb國(guó)際合作組共同完成并發(fā)布的。按照高能物理學(xué)界的慣例，論文由合作組全體成員依作者姓氏英文字母順序共同署名。相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助，以及清華大學(xué)自主科研計(jì)劃和“雙一流”學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.122002
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：呂婷
