image: 北京谱仪III实验上研究的四种基态粲强子，内部夸克成分均包含一个粲夸克和一个或两个轻夸克。它们的衰变总是通过其中包含的粲夸克弱衰变进行，对它们衰变性质的研究可以对粒子物理标准模型进行高精度检验。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
随着1974年实验上第一个重味夸克-粲夸克的发现，开启了粒子物理学中研究重夸克物理的新时代。目前为止，标准模型被认为是基本粒子及其相互作用的理论。在标准模型中，基本粒子包括了构成我们周围物质世界单元的6种夸克和6种轻子，以及作为传递强、弱和电磁相互作用的媒介粒子的5种玻色子。众所周知，量子色动力学理论(QCD)描述了强相互作用的动力学过程，它在高能微扰能区得到了很好的验证，但在低能非微扰能区仍然有无法克服的困难。在标准模型的6种夸克中，粲夸克处于独特的地位。它的有效质量约为1.5 GeV，位于QCD理论中微扰能区和非微扰能区的过渡区域。此外，CKM矩阵元用于表征弱相互作用下不同夸克之间的跃迁几率，而粲夸克的弱衰变直接与CKM矩阵元Vcs和Vcd相关。因此，对粲强子衰变的精细研究对于精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理现象至关重要。
北京正负电子对撞机 (BEPCII) 加速两束面对面碰撞的负电子和正电子束流，这两束粒子通过正反物质湮灭可以转化为一对质量和接近对撞能量的强子，进而这些短寿命的强子很快衰变。北京谱仪(BESIII)实验记录了整个反应过程的信息，从而开展相关物理观测量的精确测量。粲强子是包含一个粲夸克和不同轻味组分夸克的粒子。BESIII实验可以大量产生三种基态的粲介子(D0、D+、D)和一种粲重子Λc，利用这些样本，可以以前所未有的精确方式测量他们的性质。
作为BESIII实验国际合作组负责人和共同负责人，中国科学院高能物理研究所李海波研究员和中国科学院大学的吕晓睿教授共同撰写的这篇综述论文，介绍了自2011年以来在BESIII实验上利用阈值数据研究粲强子弱衰变的研究成果，系统地探讨了粲强子三种衰变模式的研究，包括纯轻衰变、半轻衰变和强子衰变。BESIII实验利用特有的粲强子成对产生及阈值附近粲强子对的量子相干特性，通过采用粲强子标记技术，实现了对含有中微子、中子或KL介子等不可见粒子末态衰变模式的精细测量，提取了中性D介子强子衰变中的强相角信息，探测粲重子中的衰变动力学信息。
基于正负电子对撞质心能量为3.773 GeV、4.18 GeV和4.6 GeV的高统计数据，BESIII实验在多个方向上开展了标准模型的高精度检验，比如对CKM矩阵元Vcs和Vcd的最精确测定，进而严格约束CKM矩阵元的幺正性；模型无关提取的中性D介子强子衰变的强相位差，成为国际上精确测量CP破坏相角gamma角的关键输入；通过含轻子衰变过程进行轻子普适性的严格检验。此外，半轻衰变可以用来校准格点QCD计算的强子形状因子，并可以通过测量不同的粲强子衰变率来验证标准模型中的对称性和QCD理论中的非微扰机制。特别是，BESIII实验首次利用近阈值数据系统地研究了最轻粲重子Λc的产生和衰变性质，成为了BESIII实验研究的新前沿课题。
在今后几年里，粲物理研究仍然是BESIII实验的一个重要物理课题。在2022-2023年期间，BESIII实验上D介子的数量将增加7倍左右，可以预见相关粲物理的相关测量精度将大大提高。BEPCII的亮度和最高能量升级已经陆续开展，主要的物理目标之一就是覆盖所有基态粲重子的研究。BESIII的粲物理研究是国际味物理研究的重要组成部分，相信BESIII实验未来基于更大数据样本的研究成果，有助于我们更深入地理解宇宙和物质。
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研究详情请见原文：
Study of the standard model with weak decays of charmed hadrons at BESIII
https://doi.org/10.1093/nsr/nwab181
Journal
National Science Review