北京谱仪上对粲偶素XcJ和ηc含重子末态新衰变模式的寻找

摘要

这篇论文论述我在北京谱仪(BESⅢ)上开展的物理分析工作。BESⅢ是运行在北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)上唯一的实验项目，是目前世界上研究(τ)-粲物理典型的“味”工厂。BEPCⅡ是双环对撞机，覆盖2GeV到4.6GeV的质心系能量区间并且可以提供世界上在这个能区最高的瞬时对撞亮度，在质心系能量3770MeV时达到了7.0×1032 cm-2s-1。在BESⅢ所覆盖的这个能区有大量引人眼球的特性:丰富的共振结构，例如各种粲偶素和粲介子;大量的质量阈来产生(τ)(τ)和D(*)D(*)对;大量的奇异强子;微扰QCD和非微扰QCD共同作用区域。BESⅢ实验分别在2009年和2012年至2013年间在J/ψ和ψ(3686)能量点以及3.80GeV到4.42GeV能量区间获取了世界上最大的事例样本。基于这些样本数据，我的论文工作主要从事xcJ和ηc这两种粲偶素包含重子末态的新衰变模式寻找和在粲介子阈之上奇特态的寻找(+)。
　　Ⅰ xcJ和ηc粲偶素包含重子末态的新衰变模式寻找.
　　1.xcJ衰变到p(p)K+ K-末态的首次测量
　　利用通过BESⅢ探测器上获取的106×106个ψ(3686)介子辐射衰变得到的xcJ介子样本，我们展示了对三个xcJ(J=0，1，2)衰变到p(p)K+ K-末态进行的首次测量。我们观测到中间共振态φ→ K+K-和Λ(1520)→ pK-，并且报道了xcJ→(p)K+Λ(1520)，Λ(1520)(Λ)(1520)和φp(p)的分支比。同时，我们也测量了xcJ→p(p)K+ K-直接衰变道的分支比。这些测量的分支比列在下面的表格中，第一项误差是统计误差，第二项误差是系统误差。
　　┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━┳━━━━━━━━━┓┃┃ xc0┃ xc1┃ xc2┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃B(xcJ→p(p)K+K-)(10-4)┃1.24±0.20±0.18┃1.35±0.15±0.19┃2.08±0.19±0.30┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃B(xcJ→(p)K+Λ(1520))(10-4)┃3.00±0.58±0.50┃1.81±0.38±0.28┃3.06±0.50±0.54┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃B(xcJ→Λ(1520)（Λ）(1520))(10-4)┃3.18±1.11±0.53┃＜1.00┃5.05±1.29±0.93┃┣━━━━━━━━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━┫┃B(xcJ→p(p)φ）(10-5)┃6.12±1.18±0.86┃＜1.82┃3.04±0.85±0.43┃┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━┻━━━━━━━━━┛
　　这是首次观测到xcJ衰变到不稳定的重子共振态。寻找P波粲偶素激发态重子对的衰变模式可以提供跟多的实验信息来理解之前在用色八重态机制(Color-Octet Mechanism)解释xcJ→p(p)和xcJ→Λ(Λ)时遇到的矛盾。色八重态机制是一种很好的方法来弥补色单态机制解释P波衰变中出现的不足。
　　2.ηc衰变到∑+(∑)-和Ξ-(Ξ)+首次观测
　　利用在BESⅢ探测器上获取的2.25×108个J/ψ事例，ηc介子衰变到∑+(∑)-和Ξ-(Ξ)+被首次观测到，其中ηc通过J/ψ→γηc产生，∑利用pπ0末态重建，Ξ利用Λπ末态重建.测量的分支比如下
　　B（ηc→∑+(∑)-）=(2.11±0.28±0.18±0.50)×10-3，
　　B(η c→Ξ-(Ξ)+)=(0.89±0.16±0.08±0.21)×10-3，其中，第一项误差是统计误差，第二项误差是系统误差，第三项误差来自于中间态分支比的不确定。
　　ηc衰变到重子对是破坏螺旋度选择定则的过程，它是QCD渐近行为的一种直接结论。一种长程作用，中间粲介子圈图机制(Intermediate charm Meson Loopmechanism)被用来解释这种超出预期的分支比。这个实验结果和中间粲介子圈图机制预言的理论值符合很好。现在，J/ψ→γηc分支比的误差是最后实验结果中的主导误差，大约在20％的量级。更好的比较与理解这种长程作用需要测量到更高质量的重子对过程。
　　3.ψ(3686)→(p)K+∑0和 xcJ→(p)K+Λ过程的测量
　　利用BESⅢ探测上获取的106×106个ψ(3686)介子样本，以及由它辐射衰变产生的 xcJ介子我们报道了ψ(3686)→(p)K+∑0首次观测，以及精度提高的xcJ奇异强子衰变过程xcJ→(p)K+Λ的测量.∑0利用∑0→γΛ来重建，而Λ利用Λ→pπ来重建。其中∑0→γΛ大约占有100％衰变分支比，而Λ→pπ是Λ主导衰变过程.测量的分支比如下
　　B(ψ(3686)→(p)K+∑0）=(0.17±0.01±0.01)×10-4，
　　B(xc0→(p)K+Λ)=(13.3±0.3±1.1)×10-4，
　　B(xc1→(p)K+Λ)=(4.5±0.2±0.4)×10-4，
　　B(xc2→(p)K+Λ)=(8.4±0.3±0.7)×10-4，其中，第一项误差是统计误差，第二项误差是系统误差。
　　核子与反核子(N(N))结合结构一直以来是高能物理的热点，因为这种结构被QCD理论所预言却没有被实验确认。类比电子偶素，这种结构被称为“重子偶素”，并且由于强相互用它对阈值效应更加敏感。基于这个想法，我们尝试利用质子和Λ作为末态来寻找这种结构。在xcJ→(p)K+Λ的衰变中，一个在(p)Λ不变质量阈值上的不能被均匀相空间解释的奇异增长结构被发现。
　　Ⅱ粲介子阈之上奇特态的寻找
　　1.在质心系能量4.26Ge V上利用e+e-→(D*(D)*)±π(±)首次观测到带电类粲偶素的结构
　　利用在在质心系能量4.26GeV上获取的827pb-1的事例样本，我们研究了过程e+e-→(D*(D)*)±π(±)。这一课题的物理动机在于寻找作为四夸克态候选者Zc(3900)的更高的激发态，理论预言这种激发态有很大的分支比衰变到D*D*末态。Zc(3900)在2013年在北京谱仪上被发现。基于不完全重建机制，得到这个过程Born截面为137±9±15pb。同时，在(D*(D)*)±阈值附近，利用π(±)反冲谱，我们观测到一个结构并且把它命名为Z±c(4025)。测量到的质量和宽度如下
　　M=4026.3±2.6±3.7，MeV/c2，Γ=24.8±5.6±7.7MeV