近日，北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术国家重点实验室高能物理冒亚军课题组与中国科学院大学、兰州大学团队合作，基于北京正负电子对撞机-北京谱仪III(BESIII)实验，对粲重子三体衰变过程Λc+→Λπ+η进行分波分析。该研究首次以超过5σ的统计显著性观测到Λc+→Λa0(980)+的衰变过程，并在Λπ+不变质量谱上以超过3σ的显著性发现了Σ(1380)+粒子的迹象。这一工作对理解粲重子Λc+衰变机制及奇特强子态a0(980)+和Σ(1380)+的性质提供了重要信息。相关研究论文以“在Λc+→Λπ+η中观测Λc+→Λa0(980)+和Σ(1380)+的迹象”( Observation of Λc+→Λa0(980)+ and Evidence for Σ(1380)+ in Λc+→Λπ+η)为题，于2025年1月17日在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
在微观世界中，夸克通过强相互作用力束缚形成强子。根据夸克模型，自然界存在两类常规强子：两个夸克组成的介子(如π介子)和三个夸克组成的重子(如质子和中子)。此外，理论还预测了更加复杂的强子结构，例如：四夸克或五夸克以紧致形式结合而成的强子态;强子-强子间松散结合形成的强子分子态。这些非常规粒子被统称为奇特强子态，对它们的研究有助于深化对强相互作用理论的理解和检验。轻标量介子a0(980)+是粒子物理研究中的受到最广泛关注的奇特强子态之一。然而，学界对其内部性质尚存争议，包括两夸克介子、紧致四夸克态、以及阈值效应等不同理论解释。另一方面，基态负宇称的超子Σ(1380)+也是一种奇特强子态，其内部可能由五个夸克组成，但此前从未被实验直接观测到。理论上，粲重子Λc+的两种特定衰变模式(Λc+→Λa0(980)+和Λc+→Σ(1380)+η)为研究上述奇特强子态提供了新途径。早在2019年，研究团队已在BESIII实验上首次测量了Λc+→Λπ+η过程的绝对衰变分支比，并在Λπ+不变质量谱上发现Σ(1385)+粒子。然而，由于当时实验数据量的限制，其他可能的中间共振态未能得到系统研究。在2020-2021年期间，BESIII实验在正反Λc对质量阈值附近采集了约10倍于以往的数据。本次研究成果正是基于这些新的实验数据完成的。
图1. 粲重子Λc+衰变到a0(980)+或Σ(1380)+粒子示意图
团队分析了BESIII实验中正负电子湮灭产生的约90万对Λc+Λ(_)c-事例，并对Λc+→Λπ+η三体衰变过程进行了详细的分波分析。研究首次以超过5σ的统计显著性观测到Λc+→Λa0(980)+的衰变过程，并测量了其衰变分支比。值得注意的是，实验结果比基于a0(980)+为四夸克态假设的短程贡献和考虑末态相互作用的长程贡献的理论预言值高出1-2个量级。这种理论与实验的巨大分歧表明，粲重子衰变机制及a0(980)+的内部结构可能需要重新审视。除此之外，在Λπ+不变质量谱中，研究首次发现了Σ(1380)+的信号，其统计显著性超过3σ(信号来源于统计涨落的可能性小于 0.3%)。该研究为探索粲重子的衰变机制及奇特强子态的性质提供了重要实验依据，并对粒子物理标准模型中强相互作用理论的进一步研究具有重要意义。未来，理论学家和实验团队将继续合作，深入解析这些奇特强子态的内部结构和形成机制。
图2. 左图是基准模型的拟合结果在π+η不变质量谱的投影图，其中红色线代表Λc+→Λa0(980)+过程。右图是包含Σ(1380)+的模型的拟合结果在Λπ+不变质量谱的投影图，其中浅蓝色线代表Λc+→Σ(1380)+η过程。
该研究工作由北京大学物理学院技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室高能物理团队冒亚军教授课题组与中国科学院大学和兰州大学团队合作完成。北京大学物理学院2021级博士研究生余旭东与2019级博士研究生谢昕海(已毕业)共同承担了主要的数据分析与论文撰写工作，并代表BESIII合作组投稿。
BESIII实验是我国运行于陶轻子-粲夸克能区的大型正负电子对撞机实验，在该能区拥有世界最高统计量的数据样本。BESIII实验合作组由来自17个国家和地区86家研究机构的600余名科研人员组成。北京大学BESIII课题组在实验设计建造、运行维护中发挥了重要作用，在轻强子谱、奇特强子态、粲强子与粲偶素物理以及超出标准模型的新物理等研究领域持续产出重要研究成果，并担任了合作组多个重要管理职位，如冒亚军曾担任合作组共同发言人，王大勇曾担任合作组物理分析协调人等。BESIII实验仍将继续运行5~10年，基于其数据的物理研究将维持15年以上，可以期待更多新的发现和成果。
该研究工作得到了科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金等大力支持。
