北京谱仪III实验发现与胶球特性一致的X(2370)粒子

近日，北京正负电子对撞机获得重大成果。其实验装置北京谱仪III合作组首次测得X(2370)粒子的量子态性质，其质量、产生和衰变性质都与人们长久以来寻找的胶球特性一致。这一研究成果于2024年5月2日作为编辑推荐文章发表在美国《物理评论快报》杂志上。

在粒子物理学的标准模型中，胶子是传播强相互作用的基本粒子，就像光子传播电磁相互作用一样。但特别的是，胶子之间可以相互吸引而形成一个新的束缚态粒子—胶球。胶球是标准模型的重要预言，也是自然界中唯一由传播子构成的粒子，这种自相互作用及其粒子从未被实验发现，其存在与否是标准模型至关重要的基本检验。北京正负电子对撞机能够大量产生丁肇中先生发现的J/ψ粒子，其衰变是寻找胶球的最佳途径，由此这也一直是北京正负电子对撞机几十年来最重要的物理目标之一。

经过长期不懈的努力，2011年，由现任南京大学金山教授（时任中国科学院高能物理研究所研究员）与中国科学院高能物理研究所博士后黄燕萍合作在北京谱仪III实验上发现了一种新粒子—X(2370)粒子，这是实验上首次观测到与理论计算的赝标量胶球（自旋为0，宇称为负的0-+胶球）质量、产生和衰变性质一致的粒子。作为判断其是否为赝标量胶球最关键的下一步，就是测定其自旋宇称量子数是否真的是0-+。

图1: J/ψ粒子辐射衰变到X(2370)粒子示意图

图2: J/ψ→γKS0KS0η' 过程观测到的KS0KS0η' 不变质量谱及其拟合结果。

近年来，北京正负电子对撞机和北京谱仪III产生并采集了100亿J/ψ粒子，超过此前最大样本的100倍。利用这些数据，研究人员创新性地研究了几乎无物理本底的X(2370)粒子的衰变模式。得益于北京谱仪III探测器的优良设计，特别是对带电粒子和光子的高精度探测，大大提高了信号噪声比。实验组通过复杂的量子态干涉分析，首次测量了X(2370)粒子的自旋-宇称量子数以及其质量、产额等基本性质。实验结果与人们长期寻找的标准模型理论中最轻赝标量胶球的特性一致，是支持胶球存在的强有力实验证据。

该实验研究成果由中国科学院高能物理研究所黄燕萍研究员和南京大学物理学院金山教授合作并指导中国科学院高能物理研究所博士生张鹏完成，同时北京谱仪III探测器和北京正负电子对撞机加速器运行维护团队在数据采集过程中、北京谱仪III离线软件团队和中国科学院高能物理研究所计算中心在数据分析过程中的高效工作为本次发现提供了保障。中国科学院高能物理研究所陈莹研究员团队在理论上对胶球特性做出了系统的研究。

PRL文章链接: https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.132.181901

美国Big Think网站该成果科普文章链接：

https://bigthink.com/starts-with-a-bang/new-particle-first-glueball/

德国媒体该成果报道链接：

https://www.spektrum.de/news/teilchenphysik-teilchenbeschleuniger-findet-hinweise-auf-gluonenball/2216326

赝标量胶球理论链接：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.100.054511