探索重子结构的关键突破：首次确定重子的自旋-宇称

粒子物理学的领域是一项持续探索物质基本组成部分及其相互作用规律的旅程。由三个夸克组成的重子构成了这一领域的重要组成部分。其中，含有至少一个重夸克（粲夸克或底夸克）的重味重子为研究强相互作用提供了一个独特的窗口，并为诸如夸克模型和重夸克有效理论（HQET）等理论框架提供了严格的检验。最近发表在PRL的题为《首次确定Ξc(3055)+,0重子的自旋-宇称》的论文，通过首次实验性地确定 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 态的自旋-宇称，标志着我们对粲重子谱的理解向前迈出了重要一步。

理解重子的理论框架始于夸克模型，该模型假定重子由三个价夸克组成。引入像粲夸克（c）这样的重夸克，导致了丰富的重味重子谱。Ξc 重子家族由一个粲夸克和两个较轻的夸克（上夸克、下夸克或奇异夸克）组成。这些重子根据它们的夸克组成和量子数（包括自旋 (J) 和宇称 (P)，它们共同构成自旋-宇称 (JP)）进行分类。确定这些基本量子数对于将新观察到的态置于理论框架内，以及理解它们的内部结构和衰变性质至关重要。

在本次研究之前，实验首次观察到的 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子缺乏明确的自旋-宇称分配。虽然它们的质量和一些衰变模式是已知的，但 JP 信息的缺失阻碍了对这些态的完整理论解释。基于各种模型的理论预测提出了几种可能的自旋-宇称，包括 1/2−、3/2− 和 3/2+。区分这些可能性需要专门的实验努力和复杂的分析技术。

位于欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）的 LHCb 实验，专门用于研究重味物理。其卓越的粒子识别能力和高数据采集率使其成为研究粲强子和底强子的理想仪器。这项研究论文利用了 LHCb 实验在质心能量为 √s = 13 TeV 的条件下记录的质子-质子碰撞数据，对应于 5.4 fb⁻¹ 的积分光度。这个庞大的数据集使得研究人员能够对特定的衰变道进行详细分析，这些衰变道对 Ξc(3055)+,0 重子的自旋-宇称非常敏感。

确定自旋-宇称的关键在于分析特定衰变链中衰变产物的角度分布。研究人员专注于底重子 Ξb0(−) 衰变为 Ξc(3055)+(0) 重子和一个 π− 介子的过程。随后，Ξc(3055)+(0) 重子衰变为一个 D+(0) 介子和一个 Λ 重子。初始 Ξb0(−) 重子和末态粒子（π−、D+(0) 和 Λ）的自旋和宇称是已知的。通过研究这些连续衰变中发射粒子的角度相关性，特别是 π− 介子相对于产生平面的上下不对称性，可以推断出中间 Ξc(3055)+(0) 重子的自旋-宇称。

弱相互作用中的宇称不守恒概念在这项分析中起着至关重要的作用。Ξb0(−) 衰变为 Ξc(3055)+(0)π− 是一个弱衰变，而弱相互作用违反宇称。这种违反导致了衰变产物角度分布的不对称性。这种不对称性的大小和符号对所涉及粒子的自旋和宇称（包括中间的 Ξc(3055)+(0) 重子）非常敏感。

研究人员对观察到的衰变链进行了详细的分析，将实验数据与对应于 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子不同自旋-宇称假设的蒙特卡罗模拟进行了比较。他们测试了各种可能性，包括 1/2−、3/2− 和 3/2+。通过比较在每种假设下数据的似然性，评估了每种假设的统计显著性。

这项分析的结果为 Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子分配自旋-宇称 3/2+ 提供了令人信服的证据。这一确定的统计显著性非常高，对于 Ξc(3055)+ 超过 6.5 个标准差 (σ)，对于 Ξc(3055)0 超过 3.5σ，与其他所有测试的假设相比。这种程度的统计显著性有力地确立了 3/2+ 作为这些态的正确自旋-宇称。

此外，研究人员测量了 Ξb0(−) → Ξc(3055)+(0)π− 跃迁中的上下不对称性。测得的 Ξc(3055)+ 的值为 −0.92 ± 0.10 ± 0.05，Ξc(3055)0 的值为 −0.92 ± 0.16 ± 0.22。这些值与弱衰变中预期的最大宇称破坏一致，为分析和确定的自旋-宇称提供了进一步的支持。

自旋-宇称确定为 3/2+ 对这些重子的理论理解具有重要意义。该论文表明，Ξc(3055)+ 和 Ξc(3055)0 重子对应于 Ξc 味三重态的第一个 D 波 λ 模式激发态。在夸克模型中，这意味着这些重子内部的两个轻夸克相对于粲夸克具有 L=2 的轨道角动量。这种分配使得理论家能够更好地将这些态置于粲重子谱中，并改进他们关于强子结构和强相互作用的模型。

这项研究代表了绘制重味重子谱的关键一步。通过精确确定这些态的量子数，物理学家可以更深入地了解强子内部夸克和胶子的动力学。这些发现为基于量子色动力学（QCD）及其有效理论的理论计算提供了宝贵的输入，从而可以更准确地预测其他尚未发现的重子的性质。

展望未来，首次确定 Ξc(3055)+,0 的自旋-宇称为未来的研究开辟了若干途径。更精确地测量这些重子的其他性质，例如它们的衰变宽度和分支比，将进一步完善我们的理解。此外，寻找其他激发态的粲重子将继续丰富谱，并为理论模型提供更多的数据来检验。在理论方面，这些实验结果将促使进一步改进夸克模型和格点 QCD 计算，以更好地描述观测到的谱并预测其他重强子的性质。