近日，北京正负电子对撞机上北京谱仪III实验首次测量了X(2370)粒子的自旋宇称量子数，结果为0-+。这一实验结果支持X(2370)粒子是理论上预言的最轻赝标量胶球的解释。论文于2024年5月2日以编辑推荐(Editor’s Suggestion)的方式发表在《物理评论快报》上(Phys. Rev. Lett. 132,181901 (2024))。
在粒子物理学标准模型中，胶子是传播强相互作用的基本粒子。根据描述强相互作用的基本理论——量子色动力学的规范理论特性，胶子间可以存在自相互作用而形成束缚态——胶球。量子色动力学预言存在的胶球是自然界中唯一由基本粒子自相互作用形成的粒子。因此，在实验上寻找胶球对检验量子色动力学理论具有非常重要的意义。
X(2370)粒子是2011年由时任中国科学院高能物理研究所研究员的金山教授与博士后黄燕萍合作在北京谱仪III实验上通过研究J/ψ→γπ+ π- η'衰变过程中发现的新粒子，这是实验上首次在J/ψ粒子的辐射衰变过程中观测到与格点量子色动力学理论赝标量胶球预期质量一致的粒子。由于胶球被认为应该在J/ψ粒子的辐射衰变中丰富地产生，而且π+π- η'模式可能是赝标量胶球的主要衰变模式之一，这些产生和衰变性质都支持X(2370)粒子是胶球的解释。因此在实验上测定X(2370)粒子的自旋宇称量子数对确认其是否为赝标量胶球至关重要。
在本分析中，北京谱仪III实验利用约100亿J/ψ粒子衰变的实验数据，并利用J/ψ→γKS0KS0η'过程几乎无物理本底的优势，首次完成了对X(2370)粒子的自旋宇称分析，测得的自旋、宇称、电荷共轭量子数为JPC=0-+，质量为2395±11(stat)-94+26 (syst) MeV/c2。实验结果与格点量子色动力学理论中最轻的赝标量胶球预期 (质量为2395±14 MeV/c2) 一致。
这一实验研究成果主要由高能所黄燕萍研究员和南京大学金山教授合作并指导高能所博士生张鹏完成。北京谱仪Ⅲ探测器维护和离线软件团队、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的高效工作为本次发现提供了保障。
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。
