輕介子是指由輕誇克組成的強子，它們在粒子物理學的發展中扮演著重要角色。自20 世紀30 年代發現π介子之後，隨著探測技術的不斷進步，實驗上陸續發現不同種類的輕介子，同時對輕介子的研究也不斷深化。尤其是在20 世紀70 年代，利用高能粒子加速器和粒子探測器，實驗上對輕介子(特別是針對π介子和K介子)的衰變模式、產生機制以及與其他粒子的相互作用進行了深入研究，並在實驗研究和理論探索中取得許多重要的成果。特別是K介子中CP 破壞效應的發現、奇異自由度的引入和帶電π的弱衰變研究等，不僅深化了對物質的微觀結構和相互作用的認識，還推動了誇克模型及標準模型的建立。特別是誇克模型誕生，使得我們對強子的內部結構有了深入的認識，認為輕介子是由一個輕誇克和一個反輕誇克組成的束縛態，並且根據SU(3)群的對稱性，比較自然地把輕介子歸類到不同的家族。如圖1 所示，π介子和K介子就屬於基態贗純量介子成員。
圖1 贗純量介子九重態
雖然對輕介子性質的認識正逐步完善，但仍然還有很多工作亟需深入開展，特別是關於贗純量介子的另外兩位成員η和η′。1961 年，美國勞倫斯實驗室首次在π+π-π0 質素譜上發現η，但因為同位旋破壞，不符合誇克模型預言，曾一度認為不適合作為贗純量介子候選者。三年之後，勞倫斯實驗室發現η′，因其質素比其他贗純量介子大很多，引發對其性質的深入研究。因為η和η′的電荷、自旋和同位旋都為零，並且寬度非常窄，也接近於零，是探究低能區強相互作用、檢驗基本對稱性及尋找新物理等的理想場所，一直受到理論和實驗上的廣泛關註。但是，η和η′的產生截面相對較低，受限於統計量，實驗研究尚不如π和K介子深入。目前，國際上有多個粒子物理實驗正在開展η和η′介子衰變研究，比如德國的A2 實驗、意大利的KLOE-2 實驗、美國的CLAS 和GlueX實驗。雖然北京譜儀III 實驗設計用於τ-粲物理研究，但η和η′等輕介子在J/ψ輻射和強衰變中產生機率都很高，使得北京譜儀III 實驗也相當於一個天然的輕介子工廠。結合所采集高統計量J/ψ事例和探測器的出色效能，北京譜儀III 實驗為探究輕介子衰變機制，特別是η和η′介子,提供了前所未有的機會。另外，相對於其他相關實驗，北京譜儀III 實驗不但具有高統計量的優勢，而且由於相空間壓低，可以降低本底貢獻，選出幹凈的輕介子事例，有助於深入開展高精度測量及尋找新的物理現象。
基於所采集的高統計量J/ψ數據，BESIII 實驗在輕介子衰變研究領域取得了一系列創新性研究成果，包括觀測到新衰變模式、發現新衰變機制和發展新研究方法等，為檢驗和發展低能區強相互作用理論提供了大量實驗證據，並在國際輕介子物理研究中扮演了十分重要的角色。近年來，不但多次被邀請在國際會議上作大會報告，還被推薦首次舉辦第10 屆國際手征動力學研討會。同時，北京譜儀III 實驗關於η和η′的重要研究進展，不僅引起了粒子物理學家的關註，為檢驗和發展低能區強相互作用理論提供了大量實驗證據，也引發國際上提出新的關於η和η′的實驗研究計劃。
北京譜儀III 實驗獨辟蹊徑，利用J/ψ衰變開啟了探究輕介子衰變的新視窗；相對於其他實驗，北京譜儀III 實驗有什麽標「新」立異之處？
1 觀測到新衰變模式
粒子物理學中，透過觀測一個粒子的衰變模式，不僅可以更全面地了解其性質，還為探究內部結構及相互作用提供重要資訊，進而驗證理論模型對強相互作用的描述，並提供實驗數據用於改進和發展理論。北京譜儀III 實驗觀測到η′→ρ±π∓、η′→π+π- π+π-、η′→γe+e-、η′→γγ-π0等多個新衰變模式。
在手征微擾理論和色散理論的框架下，由於輕誇克之間存在質素差異，雖然η′介子可以衰變3π違反同位旋對稱性，但提供了一種確定誇克質素比值的獨特方法，認為透過從η′衰變3π和ππη分支比比值可以提取u-d 誇克之間的質素差。然而，有理論物理學家質疑η′→3π衰變中存在中間態共振的強烈影響，例如η→ρπ的P波貢獻，因此不能以這種簡單的方式提取u-d 誇克之間的質素差。因為缺少高統計量實驗數據，該爭論一直未得到有效解決。2017 年，北京譜儀III 實驗首次觀測到的η′→ρ±π∓(見圖2)，證實在η′衰變到3π中存在P 波的貢獻，結束了理論上長達近20 年的爭論。同時，發現S波也在η′→3π衰變中起著重要作用，特別是f0(500)的貢獻為解釋η′→3π0的達立茲圖的負斜率參數提供了合理解釋。目前，一些理論物理學家對使用色散方法研究η′衰變表現出極大興趣，進一步的理論研究以及未來更精確測量結果將有助於深入了解其衰變機制。
圖2 圖2 η′→π+π-π0的達立茲圖。圖中明顯事例集中的地方對應於η′→ρ±π∓
2 發現新衰變機制
實驗研究輕介子衰變對於理解量子色動力學在非微擾區域起著重要的指導作用。特別是π-π和K-π散射，一直是強相互作用領域所長期關註的研究課題之一，對於檢驗和發展手征有效場論有重要作用。在ππ相互作用中，一個顯著的特征是π+π-的S波電荷交換的散射反應，即π+π-→π0π0，在質心能量對應於兩個帶電π介子的質素閾值處產生起一個明顯的突變，被成為拐點效應(Cusp effect)。對該效應的準確測量有助於高精度地確定S波π-π散射長度，也就是說該效應可以用於確定S 波π-π相互作用的強度，揭示量子色動力學在低能的基本性質。大約十年前，理論上預言η′→ηπ0π0中存在Cusp 效應，可能成為確定π-π散射長度的新來源。此後，多個實驗上試圖在η′→ηπ0π0 中尋找該效應，但都未觀測到。北京譜儀III 實驗利用約35 萬η′→ηπ0π0事例，在非相對論有效場論框架下完成振幅分析。首次發現帶電π介子質素閾值附近存在拐點效應，並確定了相應的散射長度。這是世界上首次在η′→ηπ0π0衰變中觀測到拐點效應，為探究π-π相互作用提供了一種新的方法。
圖3 π0π0 不變質素的分布，其中虛線用於標識ππ 質素閾值之處的拐點效應
作為η′的主要衰變模式之一，η′→γπ+π-衰變早已被實驗觀測到，並確認主要貢獻來自η→γρ。但是，理論上最感興趣之處在於此衰變可以用於檢驗理論上高階費曼圖的貢獻，進而加深對強相互作用動力學的理解。因為該貢獻的費曼影像一個盒子(見圖4)，被形象地稱為盒子反常效應。因為該反常效應的貢獻相對較低，所以統計量和本底貢獻對驗證是否存在該效應非常關鍵。雖然多個實驗曾嘗試尋找盒子反常效應，但一直沒有得到明確結論，甚至部份實驗的結果之間存在相互矛盾之處。
圖4 手征理論中η′→γπ+π-高階貢獻費曼圖
2018 年，北京譜儀III 實驗篩選出近100 萬η′→γπ+π-事例，並且本底只占1%左右。詳細分析表明僅有向量介子ρ和ω及其它們之間幹涉的擬合無法描述數據；需要顯著的額外貢獻，可能是盒子異常或ρ(1450)的貢獻，以滿足對數據的良好描述。物理結果發表之後，立即引發理論上對該衰變的深入討論，認為北京譜儀III實驗上的高統計量和幹凈的η′樣本推動對η′研究進入前所未有的高精度時代，結合最近提出的理論模型，對η→γπ+π-和η′→γπ+π-的聯合分析有可能為它們的衰變動力學提供更自洽的理論影像。
3 提出新研究方法
雖然實驗致力於使用不同的方法研究η和η′介子的衰變動力學，但由於標記難以標記η和η′介子的單舉衰變，迄今為止，實驗上都僅僅給出相對測量結果。光與物質相互作用的主要形式之一為電子對效應，光子在原子核庫倫場作用下，光子可以轉化為正負電子對(見圖5)。北京譜儀III 實驗主漂移室中帶電徑跡的良好動量分辨率，提出利用電子對效應所產生的正負電子用於重建來自輻射J/ψ衰變的單舉光子能譜，進而透過反沖正負電子對的質素得到η和η′介子單舉衰變的新方法。蒙特卡羅研究表明，使用光子轉換電子對事例，輻射光子的能量分辨率可以提高3 倍，這非常有助於壓低本底，提高訊號顯著性，使得能夠標記η和η′介子的單舉衰變成為可能，進而精確測量η和η′介子衰變的絕對分支比，並可以精確測量J/ψ→γη和J/ψ→γη′的分支比。利用該方法，北京譜儀III 實驗精確測量了η和η′介子主要衰變模式的絕對分支比，並測量了J/ψ→γη和J/ψ→γη′的分支比，大幅提高了測量精度。同時，該方法也為探究其他輕介子衰變提供了新研究思路。
圖5 J/ψ→γη′衰變中輻射光子擊中束流管壁後轉換為正負電子對的示意圖
目前，利用高統計量J/ψ事例，北京譜儀III 實驗在國際上針對η′衰變研究中占主導地位。雖然也取得了一系列關於η衰變的物理成果，但發現來自J/ψ衰變和正負電子對撞所產生的大量本底使得難以提高對η衰變的測量精度。特別是尋找其稀有衰變時，受本底影響較大。以尋找稀有衰變η→π+π-為例，主要的本底來自於J/ψ→γπ+π-，特別是中間共振態f0(500)的貢獻使得本底無法有效排除。另外，因為η介子在J/ψ輻射衰變中的產生機率要比η′介子小5倍，也使得在研究η介子衰變時受到統計量限制。
為此，我們引入了一種透過η′→π+π-η探究η衰變的新方法。根據【粒子數據手冊】上的相關測量結果估計，透過η′→π+π-η篩選出的η衰變事例比J/ψ輻射衰變所產生的統計量高約2 倍。同時，η′的寬度非常窄，也使得直接來自J/ψ衰變的本底可以利用η′質素的約束進行壓低，進而研究η衰變的靈敏度。該方法已經被成功運用到研究η→γe+e-和η→γμ+μ-及形狀因子測量，相對於之前的研究方法，不僅有效降低了來自J/ψ和正負電子對撞產生的本底，η′質素的約束還有助於降低μ和π的誤判效率。
利用J/ψ衰變中輕介子豐富產生和探測器的出色效能的優勢，北京譜儀III 實驗上為研究輕介子衰變提供了獨一無二的機遇。除了改進已知輕介子衰變性質的精度外，北京譜儀III 實驗還首次觀測到一系列η′新衰變模式，這些重要研究成果表明北京譜儀III 實驗在輕介子衰變研究中發揮著重要作用。盡管取得一系列令人印象深刻的研究進展，但仍有許多輕介子衰變尚未被觀測到，需要進一步探索和研究。不僅可利用100J/ψ億事例開展輕介子衰變實驗研究，北京譜儀預計將於2024 年夏天在3.773 GeV處獲取20 fb-1數據，將可以使用不同的數據分析方法(比如雙光子湮滅過程)進行輕介子物理的研究，例如輕介子的雙光子寬度及形狀因子的測量等。特別是可以深入到以前未探索的電磁躍遷形狀因子區域，不僅可以在類時和類空區域之間建立定量聯系，還可以減少理論上對μ輕子的反常磁矩的計算誤差。總之，聯合其他高精度實驗(如意大利的KLOE-2、德國的A2 及美國的GlueX 等)一起，北京譜儀III 實驗積累的高統計量輕介子樣本對輕介子衰變和相互作用模式的實驗研究和理論探索，不但有助於深化對強相互作用、標準模型、強子譜以及對稱性破缺等關鍵概念的認識，並在手征有效場論和格點量子色動力學的發展中發揮重要作用，為理解非微擾區域的強子物理做出重要貢獻。另外，隨著更多關於針對輕介子實驗裝置的建立，比如中國的超級陶-粲工廠、美國的η介子工廠等，對輕介子實驗研究的必將逐步深入，為我們揭示更多粒子物理學的奧秘。
房雙世
中國科學院高能物理研究所
