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中國科學院理論物理所在奇特強子態的研究中取得重要進展
2019-05-27  【 】【打印】【關閉

  中國科學院理論物理所郭奉坤研究員最近在奇特強子態的研究中取得重要進展,提出精確測量奇特強子態X(3872)質量的全新方法。研究結果發表于Phys. Rev. Lett. 122, 202002 (2019) 

  強相互作用是自然界的基本相互作用之一,描述強相互作用的理論是基于誇克和膠子的量子色動力學。誇克和膠子之間的非微擾相互作用産生了質子、中子等強子,從而提供了宇宙中可見物質超過90%的質量。雖然誇克和膠子都攜帶一種特殊的量子數顔色,但是實驗上只能直接觀測到無色的強子,此現象被稱爲色禁閉,對其機制的研究是當前基礎物理中最具挑戰性的問題之一。色禁閉使得強子譜成爲研究強相互作用的物質結構所必須面對的問題。誇克勢模型在強子譜的研究中取得了巨大的成功,這類模型將介子(自旋爲整數的強子)和重子(自旋爲半整數的強子)分別描述爲一對正反誇克和三個誇克的束縛態,超出此圖像的強子便被稱爲奇特強子態(包括膠球、混雜態、多誇克態、強子分子態等)。2003年以來,世界各地的高能物理實驗(做出重大貢獻的實驗包括基于我國北京正負電子對撞機的BESIII實驗、日本的Belle實驗、美國的BaBar實驗以及歐洲的LHCb實驗等)中發現了大量新的強子態,它們的性質與誇克勢模型的預言完全不同。作爲絕佳的奇特強子態的候選者,這些新強子態受到了廣泛關注。其中,包含一對正反重誇克的整數自旋的新強子態被特別統稱爲XYZ態。 

  
 

  關于XYZ的研究肇始于由Belle合作組于2003年發現的X(3872)粒子,該粒子由于其謎一般的性質也成爲最受關注的XYZ態,隨後被多個實驗(包括BESIIIBaBarCDFD0LHCbATLASCMS等)觀測到。X(3872)最神秘的性質是它的質量與一對正反粲介子(D*0D0,其中一個包含粲誇克,另一個包含反粲誇克)的質量之和(稱爲阈值)幾乎精確相等。我們迄今不知道這背後有何深刻原因。將X(3872)的質量與D*0D0的阈值之差稱爲X(3872)的束縛能,綜合目前所有的實驗測量可得到其值:中心值爲0,誤差僅有約180keV,小于X(3872)質量的萬分之五。誤差來源有三:X(3872)D*0D0的質量測量的誤差,分別爲170keV, 50 keV50keV。束縛能包含了X(3872)結構的重要信息,盡管目前的測量已經相當精確,然而我們仍連其符號都不能確定。爲了深入理解X(3872)的本質,我們需要更加精確的測量結果。 

  
 

  
 

   

  
 

  圖1:産生X(3872)和光子的機制 

  
 

  郭奉坤最近提出了一個全新的精確測量X(3872)的束縛能的方法,此方法甚至可以突破D*0D0的質量測量誤差(各僅爲50keV)的限制,使得測量精度遠超現有結果。方法的原理是:如圖1所示,在高能粒子實驗中産生一對正反D*0介子,其中一個(如D*0)放出一個光子輻射躍遷到基態的D0D0再與反D*0發生反應産生X(3872)。在正反D*0介子對的質心系中,當總能量在一個特定區間的時候,D0介子的運動速度可以超過反D*0,如果它們沿同向運動,那麽D0介子撞擊反D*0從而産生X(3872)即可作爲經典過程發生。此時,這個過程的振幅具有的所謂的三角奇點靠近物理區域,從而提升反應幾率。該幾率作爲能量的函數(稱爲線形,實驗上可測)對X(3872)的束縛能極其敏感(參見圖2,其中爲束縛能),從而我們可以通過測量X(3872)和光子的線形來精確確定X(3872)的束縛能。郭奉坤通過蒙特卡羅方法研究了要達到一定的測量精度所需要的事例數,發現利用該方法只需要幾百個事例即可能將測量精度比現有結果提高一個量級。這一方法可以應用到任何可以大量産生S波正反D*0介子對的實驗中,比如正負電子對撞、正負質子對撞等。 

    

  圖2: X(3872)和光子的線形對束縛能的依賴 

  
 

  此外,郭奉坤还与他的博士生景豪杰、博士後Shuntaru Sakai以及波恩大學的合作者Ulf-G. Meissner教授建議通過同位旋對稱破壞的衰變過程來研究LHCb實驗最近報道的五誇克態候選者Pc(4457)的內部結構。成果以快報(Rapid Communication) 形式發表于Phys.Rev. D 99, 091501(R) (2019),並被選爲“編輯推薦”文章。

  這些工作得到了由國家自然科學基金委和德國DFG聯合設立的中德跨學科重大合作研究項目CRC110、國家自然科學基金委重點項目、彭桓武理論物理創新研究中心、中科院前沿科學重點研究項目、中科院粒子物理卓越創新中心以及中科院國際人才計劃項目的支持。 

  原文鏈接: 

https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.122.202002 

https://journals.aps.org/prd/pdf/10.1103/PhysRevD.99.091501 

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