近日，北京谱仪III（BESIII）实验在正负电子对撞质心系能量4.6 GeV以上对e⁺e^-→K⁺K^-J/ψ过程进行了研究，以超过5倍标准偏差显著性观测到一个新矢量类粲偶素粒子并命名为Y(4710)。该粒子质量大约5倍质子重，结构尚不确定。同时BESIII在该过程中对带电类粲偶素Z_cs态进行研究并给出了限制。研究结果于2023年11月22日在《Physical Review Letters》期刊上发表（Phys. Rev. Lett. 131, 211902）。该研究由高能物理研究所、吉林大学、兰州大学、北京大学、中国科学院大学和山东大学（前沿交叉科学青岛研究院粒子科学技术研究中心周航博士、指导教师刘智青教授，孙振田副研究员）联合研究团队完成并作出了重要贡献。

自1964年夸克模型提出以来，实验上观测到的强子大致可分为两类：介子（由正反夸克组成）和重子（由三个夸克组成）。然而2003年以来，实验上在粲偶素能区发现大量性质有别于传统介子和重子的新粒子，被普遍认为是奇特强子态的理想候选者。研究这些新强子的内部结构以及动力学机制对人们认识微观物质形态和研究强相互作用均具有重要的科学意义，是当前粒子物理领域的热门课题之一。

BESIII实验运行在陶-粲能区，在4 – 4.6GeV之间采集了世界上最大的正负电子对撞数据样本以研究奇特强子态，并已取得了丰富的成果。尤其是对类粲偶素矢量态Y（通常在隐粲末态如J/ψ或ψ(2S)中被发现）的研究，BESIII实验具有明显优势并作出了重要贡献。BESIII实验采用高精度单能量大统计量扫描的方式采集正负电子湮灭样本，能够对矢量态Y粒子做更精细的研究。然而，目前4.6 GeV以上的实验数据相对较少，4.7 GeV以上的数据则更加有限。BESIII于2020年开始在4.6-4.7GeV采集了4.5fb^-1的数据样本，并将扫描能量提升至4.95 GeV，以研究更高质量的奇特强子态。

此项研究BESIII实验利用质心能量为4.61至4.95 GeV，积分亮度为5.85 fb^-1的e⁺e^-湮灭数据，以更高的精度测量了e⁺e^-→K⁺K^-J/ψ的产生截面。为获得纯净的数据样本并保持较高的探测效率，不仅重建末态4条径迹的信号事例，同时还考虑了末态只包含3条径迹（其中一条K径迹丢失）的信号事例。该研究在K⁺K^-J/ψ截面谱上首次以超过5σ的统计显著性观测到一个质量约为4.7 GeV的共振结构，并命名为Y(4710)。精确测量这一新共振态的质量和宽度分别为(4708⁺¹⁷_-15±21) MeV/c²和(126⁺²⁷_-23±30) MeV，其中第一个误差为统计误差，第二个为系统误差。Y(4710)粒子是迄今为止实验上观测到质量最重的类粲偶素之一，这一发现为研究高能区的类粲偶素态提供了新的视野。

图1：BESIII测量的e⁺e^-→K⁺K^-J/ψ产生截面及拟合结果

此外，最近实验上观测到的带电类粲偶素Z_cs态引起了广泛关注，如BESIII实验在D⁰D_s^*/D^*0D_s末态中发现了Z_cs(3985)，LHCb实验在KJ/ψ末态中观测到Z_cs(4000)和Z_cs(4220)。该研究通过K⁺K^-J/ψ样本在KJ/ψ系统中对Z_cs态进行了寻找，然而并未观测到显著的结构。因此测量了Z_cs(3985)与隐粲末态（KJ/ψ）和开粲末态（D⁰D_s^*+D^*0D_s）耦合强度之比在90%的置信水平下小于0.03。相较于Z_c(3900)情况，该比值小了10倍。这一测量结果为理解Z_cs粒子性质提供了重要的实验信息。

图2：BESIII测量的M_max(K^±J/ψ)质量谱

BESIII实验是我国运行于陶-粲能区的大型正负电子对撞机实验，其设计对撞亮度最高，且在该能区积累了世界上最大亮度的数据样本。合作组计划于2024年进行加速器升级计划，对撞亮度优化在质心能量3.77 – 4.70GeV。届时该能区的对撞亮度显著提高（最大提高三倍），并且最大对撞能量提升至5.6GeV。这一升级将为新强子态的研究提供新机遇。

研究工作得到了国家基金委、科技部和山东省基金委的资助。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.211902

BESIII合作组新闻：http://bes3.ihep.ac.cn/hi/202311/t20231128_652377.html