近日，复旦大学现代物理研究所罗涛课题组和湖南大学的张书磊副教授，中科院高能所的董燎原研究员合作，在粲介子半轻衰变的实验研究中取得重要进展，研究成果以“Test of Lepton Universality and Measurement of the Form Factors of D0→K*(892)-μ+νμ”为题发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 134, 011803 (2025))上。该成果基于中科院高能所北京正负电子对撞机上的的北京谱仪III(BESIII)探测器获取的实验数据完成。
量子色动力学(QCD)是标准模型中描述强相互作用的基本理论。1973年，F. Wilczek和D. Gross，与D. Politzer两组人共同提出了QCD 在高能下的“渐近自由”理论，得到了大量实验的支持，三人因此获2004年的诺贝尔物理学奖。但是非微扰能区的QCD理论因其更复杂，尚有待进一步发展和验证。粲介子的半轻衰变是研究介子中不同夸克之间的弱相互作用和强相互作用的理想场所之一。粲介子的半轻衰变宽度和强子跃迁形状因子与CKM矩阵元的乘积相关，而强子跃迁形状因子是用来描述非微扰效应影响下的初末态强子之间强相互作用的重要参数。
研究团队利用BESIII实验在束流质心能量√s =3.773 GeV处采集的积分亮度为7.93 fb-1的正负电子对撞数据，首次在实验中观测到D0→K-π0μ+νμ半轻衰变过程，并测量了其绝对分支比。通过对D0→K-π0μ+νμ衰变过程开展振幅分析，首次观测到S波的贡献，并抽取出当前最精确的D0→K*(892)-μ+νμ衰变过程的形状因子，如图1所示。将形状因子的测量结果与不同的理论模型比较后发现，我们的测量结果与重味介子手征有效理论(HMχT)的理论计算有差异，达到3倍标准偏差。此外，D0→K*(892)-μ+νμ的分支比测量精度比目前的世界平均值提高了5倍，且与Covariant Quark Model和Covariant Confining Quark Model的计算结果有显著差异。绝对分支比和形状因子的测量结果为我们提取CKM矩阵元|Vcs|提供了必不可少的输入。研究团队还以目前最高的精度检验了D0→K*(892)-半轻过程中的轻子普适性，未发现轻子普适性破坏的迹象。这些研究成果将有效推动人们对粲介子半轻衰变在非微扰能区的动力学机制研究，为QCD理论的发展提供更严格的约束。
现代物理研究所博士研究生石家磊和其导师罗涛青年研究员、以及湖南大学的张书磊副教授、中科院高能所的董燎原研究员是该研究工作的主要完成人。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的加速器运行维护团队为数据采集和分析做出了重要贡献。
该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部和复旦大学等支持。
图一：实验中观测到的D0→K-π0μ+νμ候选事例对应的拟合图，以及对应的振幅分析中五个动力学变量的投影分布图。带误差棒的点表示数据，蓝色线表示拟合结果，虚线表示本底的贡献。
