我院北京谱仪BESIII团队精确测量粲重子产生截面 [2023-11-14]

我院北京谱仪BESIII团队利用质心能量在4.60~4.95GeV的正负电子对撞数据，以最高精度测量了粲重子在正负电子湮没中的产生截面，揭示了粲重子产生机制。这一研究工作主要由我校博士后王维平完成，合作单位包括国科大、吉林大学、兰州大学、中山大学及意大利国家核物理研究所，该成果于11月9日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

重子在正负电子湮没中的产生截面测量是研究重子内部结构的强有力手段。作为组成我们物质世界的基本粒子，质子和中子是典型的重子。近十年来，由于实验数据的积累，质子和中子的产生机制研究成为当前粒子物理领域的热点课题。多个合作组的实验结果表明，质子和中子的产生截面在其产生阈值附近显著地不为零，这一现象与传统的相空间模型存在巨大差异。另外，实验上还发现质子和中子的电磁形状因子的大小随质心能量的升高而表现出奇特的振荡衰减现象。

根据粒子物理中的夸克模型，如果把质子中的一个上夸克替换为一个更重的粲夸克，就能得到最轻的粲重子。它和质子一样，都是自旋1/2的带电费米子。显然，测量粲重子在正负电子湮没中的产生截面和电磁形状因子对于理解上述奇特现象具有极为重要的意义。自2020年以来，北京谱仪BESIII合作组在粲重子的产生阈值以上采集了大量的实验数据，这使得对的产生机制的全面测量成为可能。

在此项研究中，为充分发挥实验数据的潜能进而获得高精度的测量结果，研究团队创造性地在传统的单标记方法中引入了双标记技术。这一研究方案显著地降低了截面测量结果的系统误差，得到了迄今为止最为精确的粲重子产生截面数据。下图显示了此项研究结果（用红点表示）和其他实验组的比较：

图：不同实验给出的粲重子的产生截面

由此图可知，此项研究得到的截面不仅确认了阈值附近的非零截面，并且在4.6 ~ 4.7 GeV区间显著地不同于日本Belle合作组的结果。这表明粲重子的近阈产生机制与质子类似。

此外，基于这些大统计量的实验数据，研究团队首次实现了对粲重子的电磁形状因子的测量，并得到了粲重子的电和磁形状因子的比值，如下图所示。这是实验上首次发现粲重子的电磁形状因子之比存在与质子类似的振荡衰减现象。这表明粲重子内部的电磁分布比例可能存在周期性的变化。

图：粲重子的电和磁形状因子之比

此项工作是在我校黄光顺教授、周小蓉教授领导下进行的，我校博士后王维平完成实验数据分析并投稿。值得指出的是，这是王维平博士继2018年首次发现粲重子近阈非零产生截面（PhysRevLett.120.132001）之后，在粲重子研究方面取得的又一项重要成果。

此项工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、教育部、博士后科学基金会等部门的支持。

文章链接: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.191901