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理論物理所在奇特強子態研究中取得重要進展
2020-03-06  【 】【打印】【關閉

近日,中國科學院理論物理所郭奉坤研究員與德國波恩大學杜孟林博士、華南師范大學王倩教授以及其他德國和西班牙的合作者最近在奇特強子態的研究中取得重要進展,給出LHCb實驗上發現的3個五夸克態結構為強子分子態的有力證據。研究結果發表于Phys. Rev. Lett. 124, 072001 (2020)。

自2003年位于美國SLAC的BaBar實驗和位于日本KEK的Belle實驗分別發現粲奇異介子和類粲偶素以來,含有粲夸克的奇特強子態便成為非微擾強相互作用研究的焦點之一。強子是實驗上能直接觀測到的參與強相互作用的“基本”粒子,分為兩大類:自旋為整數的介子和自旋為半整數的重子。物質世界的絕大部分質量來源于質子和中子,它們是質量最小的兩種重子。通常,介子可理解為由一對正反夸克組成,重子由三個夸克組成,而超出這些構型的強子便被稱為奇特強子態。例如,2013年由位于中科院高能物理研究所的BESIII實驗率先發現的很可能是包含兩個夸克和兩個反夸克的四夸克態,而2015年由位于歐洲核子中心大型強子對撞機 (LHC) 的LHCb實驗發現的被廣泛認為是由四個夸克和一個反夸克組成的五夸克態,它們都是奇特強子態的極佳候選者。

2019年,LHCb實驗采用比2015年發現時高一個量級的數據量,公布了出乎意料的新實驗結果。他們發現存在更精細的結構,是由兩個寬度更小的結構組成的,即;此外,他們還發現了一個質量更小的。這一發現立即引發了大量理論研究,其中很多工作認為這些結構可能是由一個粲重子和一個反粲介子組成的強子分子態。這是類似于質子和中子形成的原子核的一種復合粒子。2010年,鄒冰松研究員、吳佳俊博士以及他們的西班牙合作者率先提出存在質量4GeV以上的由粲重子和反粲介子形成的強子分子態。

粲夸克是一種比較重的夸克,其自旋相關的相互作用可在領頭階近似下忽略,從而包含粲夸克的系統具有近似的重夸克自旋對稱性。由此,相互差別僅僅為重夸克自旋指向的強子的性質是非常相似的,屬于同一家族,比如包含一個反粲夸克的自旋為0的介子與自旋為1的介子同屬一個自旋多重態,包含一個粲夸克的自旋為1/2的重子與自旋為3/2的重子則同屬另一個自旋多重態。自旋對稱性也可以將同一家族的含粲夸克的強子與其他強子之間的相互作用聯系起來。LHCb發現的的質量靠近這兩個粒子的閾值,則靠近的閾值,這也是很多人認為它們便是相應的這兩對粒子的束縛態的重要原因。在這樣的強子分子態的圖像下,重夸克對稱性則意味著還會存在類似的1個束縛態和3個束縛態。這總共7個態屬于兩個家族,每個家族擁有同樣的輕夸克自旋,而家族內部的成員之間的差別則是重夸克的自旋構型。

郭奉坤研究員及其合作者在文章中首次將LHCb實驗觀測到3個結構的能譜與結合重夸克對稱性的強子分子態的圖像進行了詳細對比。重子與介子之間的相互作用通過非相對論有效場論來構造,包括交換介子的相互作用以及接觸相互作用項。通過重夸克對稱性的限制,一旦從觀測到的3個結構中選取兩個來確定上述兩個家族的接觸相互作用強度之后,其余5個束縛態的質量便被基本確定了。LHCb實驗測量的-質子對的能譜在此圖像下可以得到非常好的描述(見下圖實線與實驗數據的比較),并由此可推斷的自旋分別為3/2和1/2,宇稱都是負的。此外,還指出LHCb的數據中有束縛態存在的直接證據,表現為-質子對的質心能量4.38GeV附近的一個峰,其顯著性為大約。這樣的一個寬度很小,只有2015年LHCb宣布的寬度的1/10左右。質量在4.5GeV左右的另外3個則由于產額太小,在-質子對的能譜中表現不明顯,需要從其它衰變末態的能譜以及LHC第三輪運行的數據中來尋找。

此外,郭奉坤還與博士后酒井俊太郎(Shuntaro Sakai)博士以及天津大學的劉曉海副教授為Progress in Particle and Nuclear Physics撰寫了特邀綜述Threshold cusps and triangle singularities in hadronic reactions,系統討論了各種強子反應過程中出現的閾值效應以及三角奇點,文章已經在線發表。

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、中以合作研究項目、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/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.072001 https://doi.org/10.1016/j.ppnp.2020.103757

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