用“自旋指纹”追踪强相互作用中的色八重态

文 | 岩斌

质子、中子等构成日常物质的粒子，内部还包含更基本的夸克。夸克之间通过胶子传递强相互作用，这种作用把夸克紧紧束缚在一起。与电子、光子不同，夸克和胶子不能以自由粒子的形式单独存在，而会形成质子、介子等强子。因此，粒子物理实验通常无法直接“看到”夸克和胶子，而需要通过最终产生的强子，反推出更早发生的微观过程。

在众多强子中，重夸克偶素是一类很特别的体系。它由一个重夸克和一个反夸克组成。由于重夸克质量较大，这类体系既可以进行较为精确的理论计算，又包含强相互作用中复杂的非微扰过程，因此长期以来一直是研究量子色动力学（QCD）的重要“微型实验室”。描述重夸克偶素产生和衰变的重要理论之一是非相对论量子色动力学（NRQCD）。这里的“色”并不是日常生活中的颜色，而是夸克和胶子具有的一种特殊量子属性。最终能够独立存在的强子必须整体“无色”，但在形成和衰变的中间过程中，重夸克对可以经历不同的颜色组合。其中一种称为“色单态”，另一种重要的中间组态称为“色八重态”。色八重态并不是一种新的粒子，而是重夸克对演化过程中可能出现的一种量子状态。

色八重态机制是NRQCD的重要组成部分，在不同重夸克偶素的产生和衰变中都发挥着重要作用。对于P波重夸克偶素，它甚至是保证理论描述完整和自洽的重要环节。

色八重态还与 J/ψ 等粒子的产生率和极化密切相关，因此准确确定其贡献，对于检验NRQCD理论以及理解强相互作用中的非微扰动力学十分重要。在底夸克偶素体系中，描述色八重态贡献的相关非微扰参数仍存在明显不确定性，目前格点理论计算与基于实验数据的唯象提取结果之间存在显著差异。因此，寻找更加独立、直接的实验方法来检验色八重态机制，是这一领域的重要研究课题。

传统研究主要依赖底夸克偶素的衰变率，也就是统计某种衰变过程发生了多少次，再据此推断不同机制的贡献。但色单态和色八重态往往会同时贡献同一个衰变过程，它们的效应叠加在总事件数中，仅靠“数事件”很难把两种机制清楚地区分开来。

中国科学院高能物理研究所岩斌副研究员团队与北京化工大学何志国教授团队提出了一种新的思路：除了研究“产生了多少粒子”，还可以进一步研究“这些粒子之间具有怎样的自旋和角度关联”。研究团队发现，在底夸克偶素Xb2的衰变中，色单态和色八重态会留下不同的末态自旋结构，其中色八重态能够产生具有特定横向自旋关联的轻夸克对。

自旋是微观粒子的一种基本量子属性。为了建立直观印象，可以把它理解为粒子携带的一种“量子方向信息”，但它并不意味着粒子真的像小球一样在转动。不同的微观反应会产生不同的自旋结构，因此，这种自旋关联就像反应过程留下的一种“物理指纹”。这枚“指纹”虽然来自看不见的夸克，却能够最终被实验读取出来。轻夸克产生后会迅速经历强子化，形成π介子等可以被探测器记录的强子。这个过程十分复杂，但最初的自旋信息并不会完全消失。通过双强子碎裂过程，夸克的横向自旋信息可以部分传递到最终强子的运动方向中。两个夸克之间的自旋关联，最终会表现为两组强子之间特定的方位角关联。从这个意义上说，强子化过程完成了一次特殊的“信息翻译”：看不见的夸克自旋信息，被转化成了探测器能够测量的强子角度分布。实验人员只需要精确记录末态强子的运动方向，就可以从这些角度关联中读取更早阶段的自旋信息。这样一来，研究色八重态就不再只依赖总衰变率，而增加了一个新的观测维度——通过不同机制留下的“自旋指纹”来进行识别。

这也是这项工作的一个重要特点。它把两个原本侧重点不同的研究方向联系在了一起：一方面是利用NRQCD研究重夸克偶素和色八重态机制，另一方面是利用QCD自旋物理研究自旋信息如何在强相互作用过程中产生、传递并最终被观测。两者的结合，使自旋不仅能够帮助人们认识粒子的内部结构，也可以成为区分不同强相互作用机制的新探针。这项研究表明，即使夸克和胶子本身无法被直接观测，它们在微观过程中留下的信息也并不会全部消失。能量、动量、自旋以及粒子之间的角度关联，都可以成为追踪微观反应的线索。通过读取末态强子中的“自旋指纹”，研究人员为探测底夸克偶素中的色八重态机制、检验NRQCD理论以及理解QCD非微扰动力学提供了新的观测窗口。

相关成果于9月25日发表在国际权威期刊《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 137 (2026) 131903）。

图：底夸克偶素衰变中夸克横向自旋关联示意图

该论文作者（按姓氏排序）为北京化工大学何志国教授、高能所李广辉同学、田宇颉同学、高能所/CCAST文新锴博士（通讯作者）和高能所岩斌副研究员（通讯作者）。该研究得到了国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后科学基金会以及中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/ntf8-k9rh

（作者为中国科学院高能物理研究所副研究员）