南京大学BESIII实验团队陈申见教授课题组科研工

作者:科技产品

近日,我校物理学院北京谱仪实验团队陈申见教授课题组科研工作再次取得重要进展,最新研究成果以“Measurement of the absolute branching fraction of the inclusive semileptonic Λc decay”为题发表在Phys .Rev. Lett. 121, 250801 ,作者是课题组黄晓忠博士。

近日,我校物理学院BESIII实验团队与中科院高能所合作,在轻标量介子的研究方面取得重要进展。研究团队在D介子的半轻衰变过程中首次观测到了轻标量介子a0,这为研究a0 的本质提供了重要的实验依据,并为轻标量介子内在结构的研究开拓了新的思路。研究成果以“Observation of the Semileptonic Decay D0→a0-e neand Evidence for D →a00e ne”为题,于2018年8月24日发表于在Phys. Rev. Lett. 121, 081802 。物理学院陈申见教授课题组的博士研究生豆正磊是该论文的通讯作者和实际的第一作者(由BESIII合作组认定)。

中国科学院高能物理研究所研究员贾宇,中国矿业大学副教授、高能所客座学者冯锋,以及西南大学副教授桑文龙,在国际上首次计算了赝标重夸克偶素强衰变宽度的次次领头阶辐射修正,并结合最新的实验测量值进行了深入的唯象讨论。12月20日,相关论文发表在《物理评论快报》上,该研究代表了重夸克偶素理论研究的重要进展。

自从Λc重子于1979年被实验发现以来,其强衰变的模式已被广泛地研究,然而对其半轻衰变的研究非常稀少,目前实验只观测到Λc →Λl νl 这一种半轻衰变模式。通过比较遍举衰变分支比 Br(Λc →Λe νe) 和单举半轻衰变分支比Br(Λc →Xe νe),可以为寻找尚未观测到的Λc半轻衰变模式指明方向。此外Λc和D介子的寿命主要由粲夸克的弱衰变主导,因此Λc的单举半轻衰变宽度和D的单举半轻衰变宽度有很强的关联。理论上通过不同的方法预言了Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值。精确测量Λc的单举半轻衰变分支比,有助于区分不同的理论模型,并为理解Λc的衰变动力学提供实验依据。

对质量在1GeV/c2以下的a0 和f0 等轻标量介子的内在结构的研究一直是非微扰QCD的核心问题之一,它对于理解低能区的手征对称以及相关物理守恒律具有重要的意义。夸克模型认为a0 和f0 等为传统的正负夸克组成的qbar{q}态,但该模型难以解释f的辐射衰变过程f→ga00等一系列实验现象,因此对于轻标量介子的内在结构还存在着四夸克态、Kbar{K}束缚态等多种假设。在此前的实验中,已经发现了一部分四夸克态候选,但与轻标量介子不同的是,它们都含有重夸克对成分。

解释重夸克偶素的湮灭衰变,历史上对确立量子色动力学的渐进自由的性质起过关键作用。大约40年前,赝标夸克偶素的单举强衰变宽度在非相对论极限下的次领头阶辐射修正已被意大利和日本两组理论家独立完成。NLO修正的贡献十分重要,因此人们自然好奇下一阶辐射修正的大小。由于技术上的巨大挑战,在将近40年的漫长时间内,人们对于ηc强衰变宽度的NNLO修正始终一无所知。随着近年来量子场论高阶微扰计算技术的迅速发展,2017年夏人们终于迎来了期待已久的突破。经过几年的不懈努力,贾宇等克服了重重技术困难,最终借助于国家超级计算广州中心提供的天河平台完成计算。在这篇论文中,贾宇等首次明确验证了从QCD第一性原理出发的有效场论方法——非相对论性的QCD因子化对于单举过程在次次领头阶依然成立。然而,将NNLO辐射修正与已知的相对论修正相结合,他们发现目前最完备的NRQCD预言与实验测量的ηc总宽度、尤其与实验测量的ηc衰变到双光子的分支比,均存在严重分歧。这意味着著名的NRQCD方法尽管理论根基十分坚固,但对于粲夸克偶素而言,由于粲夸克质量不够大,导致微扰展开的收敛性非常差,使其有效性面临着严峻挑战。另一方面,NRQCD方法能够满意地解释实验测量的基态底夸克偶素ηb的强衰变宽度。同时,他们给出了ηb衰变到双光子分支比的精确预言,Br[ηb→γγ]=×10-5,有待将来被超级B工厂实验检验。

实验上只有MarkII合作组在1982年测量了Λc的单举半轻衰变分支比。受限于数据样本,MarkII的结果依赖于诸多假设。研究团队利用BESIII探测器在质心能量4.6 GeV处采集的总积分亮度为567 pb-1的正负电子对撞数据和双标记的方法,精确测量了Λc单举半轻衰变的分支比,该结果不依赖MarkII所作的假设。该研究表明Λc →Xe νe是Λc半轻衰变的主要模式,这也是实验上尚未观测到Λc其他半轻衰变模式的部分原因。此外,研究团队根据Λc和D的单举半轻衰变宽度的比值,有效地区分了不同理论的预言。下图展示了实验室系中Λc单举半轻衰变产生的电子动量谱的拟合图。带误差棒的是实验数据,蓝色曲线是总的拟合结果。从图中可以看到明显的信号过程。

半轻衰变过程中强子跃迁可以自然地从轻对中分解出来,能有效避免强子衰变中复杂的末态相互作用,因此在D介子半轻衰变中寻找a0 可以有效提供a0 波函数中的a0-=dbar{u}, a0 =ubar{d}和a00=(ubar{u}–dbar{d})/Ö2成分信息,其对于研究D介子的衰变机制也至关重要。

值得注意的是,该研究工作的结论与贾宇等2015年发表在《物理评论快报》的论文的结论是相互印证的,即NRQCD方法应用于到涉及粲夸克偶素的过程面临挑战。论文首次计算了粲夸克偶素遍举产生过程的NNLO辐射修正。研究了γ*γηc跃迁形状因子随动量转移的变化,发现当包含NNLO修正后,最精确的NRQCD预言与BaBar实验测量值相差甚远。

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研究团队利用北京谱仪III探测器采集的总积分亮度为2.93 fb-1的y数据和双标记方法,在6.4倍标准差的显著性上实现了对D0→a0-e ne衰变的寻找,并在2.9倍标准差的显著性上发现了D →a0 e ne衰变的证据,测得它们的分支比。对于D 衰变过程,由于缺乏足够的统计显著性,研究团队还测量了其在90%置信度下的分支比上限。测得的两个衰变过程的分宽度比值与同位旋对称性的预期一致。

贾宇等首次对涉及粲夸克偶素的单举衰变与遍举产生过程计算了NNLO辐射修正,均发现其贡献十分重要,考虑其修正效应后,理论预言与实验测量严重不符。这意味着对粲偶素而言,NRQCD短程系数的微扰展开的收敛性很差。他们认为,这个问题的根源来自于粲夸克的质量并不是很大,因而在粲能标定义的强耦合常数并不算小,从而严重损害了微扰展开的收敛性。广为应用的NRQCD因子化方法虽然理论根基坚实,但对于粲夸克偶素而言,其有效性似乎面临着严峻挑战,仍需要后续的深入研究来寻找其解决方案。

以上研究工作是我校BESIII实验团队与中科院高能所合作完成,物理学院黄晓忠博士在导师指导下独立完成了实验数据分析、结果获得和文章撰写,是论文的通讯作者和实际第一作者。研究团队特别感谢基本粒子与相互作用协同创新中心、中科院粒子物理前沿卓越创新中心的支持,以及科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金委大科学装置重点项目的资助。

该研究首次实现了在D介子半轻衰变过程中对a0 的寻找,将为探究a0 的结构揭开新的一页,并为将来基于高统计量数据的形状因子的测量提供了重要的实验依据。

研究工作受到了国家自然科学基金委的资助。

(物理学院 科学技术处)

下图展示了对两个运动学变量,hp粒子系统不变质量和U=Emiss–cpmiss,进行二维拟合后相应变量的投影分布。上面两图对应D0→a0-e ne过程,下面两图对应D →a0 e ne过程。带误差棒的点是实验数据,红色实线为总的拟合结果,绿色虚线是信号过程的分布,其他曲线代表各背景过程的分布。从图可以看到很清楚的信号过程。

论文链接:1 2

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该研究工作得到了基本粒子与相互作用协同创新中心、中国科学院卓越创新中心的支持,以及科技部国家重点研究计划、国家自然科学基金大科学装置重点项目的资助。

理论预言的ηc总宽度作为重整化能标μR的函数。其中LO、NLO、NNLO分别对应微扰展开领头阶、次领头阶、以及次次领头阶的理论预言。图中蓝色带状图是ηc总宽度的实验测量值。

(物理学院 科学技术处)

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NRQCD因子化对ηc到双光子分支比的预言作为重整化能标μR的函数。图中蓝色带状图是ηc到双光子分支比的实验测量值。

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NRQCD理论预言的γ*γηc跃迁形状因子随动量转移Q2的变化。图中带误差的黑点代表BaBar的实验测量值。点线、虚线、实线分别代表在非相对论极限下关于微扰展开的领头阶、次领头阶,次次领头阶预言。

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