粒子物理學(xué)的領(lǐng)域是一項(xiàng)持續(xù)探索物質(zhì)基本組成部分及其相互作用規(guī)律的旅程。由三個(gè)夸克組成的重子構(gòu)成了這一領(lǐng)域的重要組成部分。其中，含有至少一個(gè)重夸克（粲夸克或底夸克）的重味重子為研究強(qiáng)相互作用提供了一個(gè)獨(dú)特的窗口，并為諸如夸克模型和重夸克有效理論（HQET）等理論框架提供了嚴(yán)格的檢驗(yàn)。最近發(fā)表在PRL的題為《首次確定Ξc(3055)+,0重子的自旋-宇稱》的論文，通過(guò)首次實(shí)驗(yàn)性地確定 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 態(tài)的自旋-宇稱，標(biāo)志著我們對(duì)粲重子譜的理解向前邁出了重要一步。

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理解重子的理論框架始于夸克模型，該模型假定重子由三個(gè)價(jià)夸克組成。引入像粲夸克（c）這樣的重夸克，導(dǎo)致了豐富的重味重子譜。Ξc 重子家族由一個(gè)粲夸克和兩個(gè)較輕的夸克（上夸克、下夸克或奇異夸克）組成。這些重子根據(jù)它們的夸克組成和量子數(shù)（包括自旋 (J) 和宇稱 (P)，它們共同構(gòu)成自旋-宇稱 (JP)）進(jìn)行分類。確定這些基本量子數(shù)對(duì)于將新觀察到的態(tài)置于理論框架內(nèi)，以及理解它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和衰變性質(zhì)至關(guān)重要。

在本次研究之前，實(shí)驗(yàn)首次觀察到的 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子缺乏明確的自旋-宇稱分配。雖然它們的質(zhì)量和一些衰變模式是已知的，但 JP 信息的缺失阻礙了對(duì)這些態(tài)的完整理論解釋?；诟鞣N模型的理論預(yù)測(cè)提出了幾種可能的自旋-宇稱，包括 1/2?、3/2? 和 3/2+。區(qū)分這些可能性需要專門(mén)的實(shí)驗(yàn)努力和復(fù)雜的分析技術(shù)。

位于歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的 LHCb 實(shí)驗(yàn)，專門(mén)用于研究重味物理。其卓越的粒子識(shí)別能力和高數(shù)據(jù)采集率使其成為研究粲強(qiáng)子和底強(qiáng)子的理想儀器。這項(xiàng)研究論文利用了 LHCb 實(shí)驗(yàn)在質(zhì)心能量為 √s = 13 TeV 的條件下記錄的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于 5.4 fb?1 的積分光度。這個(gè)龐大的數(shù)據(jù)集使得研究人員能夠?qū)μ囟ǖ乃プ兊肋M(jìn)行詳細(xì)分析，這些衰變道對(duì) Ξc(3055)+,0 重子的自旋-宇稱非常敏感。

確定自旋-宇稱的關(guān)鍵在于分析特定衰變鏈中衰變產(chǎn)物的角度分布。研究人員專注于底重子 Ξb0(?) 衰變?yōu)?Ξc(3055)+(0) 重子和一個(gè) π? 介子的過(guò)程。隨后，Ξc(3055)+(0) 重子衰變?yōu)橐粋€(gè) D+(0) 介子和一個(gè) Λ 重子。初始 Ξb0(?) 重子和末態(tài)粒子（π?、D+(0) 和 Λ）的自旋和宇稱是已知的。通過(guò)研究這些連續(xù)衰變中發(fā)射粒子的角度相關(guān)性，特別是 π? 介子相對(duì)于產(chǎn)生平面的上下不對(duì)稱性，可以推斷出中間 Ξc(3055)+(0) 重子的自旋-宇稱。

弱相互作用中的宇稱不守恒概念在這項(xiàng)分析中起著至關(guān)重要的作用。Ξb0(?) 衰變?yōu)?Ξc(3055)+(0)π? 是一個(gè)弱衰變，而弱相互作用違反宇稱。這種違反導(dǎo)致了衰變產(chǎn)物角度分布的不對(duì)稱性。這種不對(duì)稱性的大小和符號(hào)對(duì)所涉及粒子的自旋和宇稱（包括中間的 Ξc(3055)+(0) 重子）非常敏感。

研究人員對(duì)觀察到的衰變鏈進(jìn)行了詳細(xì)的分析，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)于 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子不同自旋-宇稱假設(shè)的蒙特卡羅模擬進(jìn)行了比較。他們測(cè)試了各種可能性，包括 1/2?、3/2? 和 3/2+。通過(guò)比較在每種假設(shè)下數(shù)據(jù)的似然性，評(píng)估了每種假設(shè)的統(tǒng)計(jì)顯著性。

這項(xiàng)分析的結(jié)果為 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子分配自旋-宇稱 3/2+ 提供了令人信服的證據(jù)。這一確定的統(tǒng)計(jì)顯著性非常高，對(duì)于 Ξc(3055)+ 超過(guò) 6.5 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差 (σ)，對(duì)于 Ξc(3055)0 超過(guò) 3.5σ，與其他所有測(cè)試的假設(shè)相比。這種程度的統(tǒng)計(jì)顯著性有力地確立了 3/2+ 作為這些態(tài)的正確自旋-宇稱。

此外，研究人員測(cè)量了 Ξb0(?) → Ξc(3055)+(0)π? 躍遷中的上下不對(duì)稱性。測(cè)得的 Ξc(3055)+ 的值為 ?0.92 ± 0.10 ± 0.05，Ξc(3055)0 的值為 ?0.92 ± 0.16 ± 0.22。這些值與弱衰變中預(yù)期的最大宇稱破壞一致，為分析和確定的自旋-宇稱提供了進(jìn)一步的支持。

自旋-宇稱確定為 3/2+ 對(duì)這些重子的理論理解具有重要意義。該論文表明，Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子對(duì)應(yīng)于 Ξc 味三重態(tài)的第一個(gè) D 波 λ 模式激發(fā)態(tài)。在夸克模型中，這意味著這些重子內(nèi)部的兩個(gè)輕夸克相對(duì)于粲夸克具有 L=2 的軌道角動(dòng)量。這種分配使得理論家能夠更好地將這些態(tài)置于粲重子譜中，并改進(jìn)他們關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)相互作用的模型。

這項(xiàng)研究代表了繪制重味重子譜的關(guān)鍵一步。通過(guò)精確確定這些態(tài)的量子數(shù)，物理學(xué)家可以更深入地了解強(qiáng)子內(nèi)部夸克和膠子的動(dòng)力學(xué)。這些發(fā)現(xiàn)為基于量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）及其有效理論的理論計(jì)算提供了寶貴的輸入，從而可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其他尚未發(fā)現(xiàn)的重子的性質(zhì)。

展望未來(lái)，首次確定 Ξc(3055)+,0 的自旋-宇稱為未來(lái)的研究開(kāi)辟了若干途徑。更精確地測(cè)量這些重子的其他性質(zhì)，例如它們的衰變寬度和分支比，將進(jìn)一步完善我們的理解。此外，尋找其他激發(fā)態(tài)的粲重子將繼續(xù)豐富譜，并為理論模型提供更多的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)。在理論方面，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果將促使進(jìn)一步改進(jìn)夸克模型和格點(diǎn) QCD 計(jì)算，以更好地描述觀測(cè)到的譜并預(yù)測(cè)其他重強(qiáng)子的性質(zhì)。