Measurements of the branching fractions of \boldmath $χ_{cJ}\toΣ^0\barΣ^0η$

在宇宙的织锦深处，物质由一种极其强大的力量维系在一起，这种力量束缚着原子的核心。这种被称为强相互作用的力量，受一套被称为量子色动力学的规则所支配。虽然科学家们已经掌握了这种力量在高能状态下的数学规律，但低能领域仍然是一个充满谜团的迷雾景观。在这里，粒子的行为并不像简单的台球那样简单；它们以复杂的方式旋转并相互作用，难以预测。为了绘制这片隐藏的疆域，物理学家经常使用一种特殊的、寿命极短的粒子——粲偶素态（charmonium states）。它们就像是在粒子加速器中制造出的微型、沉重实验室，其中一个粲夸克及其反物质伙伴——反粲夸克，彼此绕行。当这些粒子对衰变为其他粒子时，它们会发生破碎，从而为观察支配其解体过程的规则提供了一瞥。通过研究这些重质量粒子对究竟如何破碎，研究人员可以测试现有理解的极限，并寻找可能指向新物理学的理论裂缝。

一位使用位于北京 BEPCII 对撞机上的 BESIII 探测器的研究人员，最近照亮了这一景观中此前黑暗的一角。他们分析了一个包含超过 27 亿次电子与正电子碰撞的海量数据集。从这组庞大的数据中，研究人员专注于一种被称为 $\chi_c$ 的特定重质量粒子，这种粒子根据自旋分为三种略有不同的变体。研究人员正在寻找一种特定的、罕见的事件：即其中一种 $\chi_c$ 粒子衰变为由三个其他粒子组成的系统的时刻——一个中性 $\Sigma$ 重子、其反物质孪生兄弟以及一个中性 $\eta$ 介子。直到现在，这种特定的衰变在实验或理论计算中从未被观测到。研究人员通过追踪留下的碎片来重建这些事件，特别是寻找由质子、反质子、$\pi$ 介子和五个光子组成的特征模式，以确认目标粒子的存在。

在筛选了数十亿次碰撞后，研究人员报告了观察到这三种 $\chi_c$ 变体发生此类衰变的第一手证据，其统计显著性分别为 $7.2\sigma$、$5.7\sigma$ 和 $6.7\sigma$。虽然这些结果足以宣称首次观测，但研究人员指出，其中一个通道（$5.7\sigma$）略低于某些语境下用于确定性观测的典型 $6\sigma$ 阈值。他们测量了这种衰变相对于产生的 $\chi_c$ 粒子总数的发生频率，即确定了每种情况下的分支比（branching fraction）。对于第一种变体，该衰变大约每 10 万个 $\chi_chi_c$ 粒子中发生 9.7 次。对于第二种，发生率约为每 10 万个中的 4.9 次；而对于第三种，则约为每 10 万个中的 6.1 次。这些数字提供了这种特定相互作用的首个具体数据点，使物理学家能够比较不同父粒子的自旋状态如何影响最终结果。

研究人员还检查了粒子飞散时的排列方式，以观察它们是否形成了任何临时的、中间结构的产物，例如一种新型的激发态粒子。他们仔细观察了最终粒子组的质量组合，寻找任何可能预示新物质状态的异常聚集或共振现象。数据显示，在当前的统计数据下，粒子质量分布中并未出现显著结构；这些粒子似乎是直接从衰变中产生的，而没有形成任何中间步骤。这种新结构的缺失与发现衰变本身同样重要，因为它排除了某些预测存在此类中间态的理论模型。此外，通过将这些结果与之前涉及带电粒子的类似衰变测量进行对比，研究人员发现其速率符合基于自然对称性（即同位旋）的预期。这表明强相互作用以一致的方式处理这些不同的粒子组合，从而强化了标准模型。

这些发现还提供了关于这些衰变内部机制的微妙线索。当研究人员比较不同自旋变体的衰变强度时，他们注意到第一种变体的行为与其他两种不同。这种行为差异暗示，第一种变体可能正在与理论预测的一种更奇异的粒子发生混合，或者它通过一种独特的机制进行衰变。虽然数据并未证实确切发生了什么，但它提供了拼图中的关键新碎片。这些衰变的发现以及对其速率的精确测量，为理论家提供了测试其模型的全新基准。它证实了强相互作用以允许这些特定组合形成的方式运作，同时也缩小了寻找这些粒子破碎背后深层原因的搜索范围。随着该领域向前发展，这些测量结果将为旨在揭开强相互作用剩余奥秘的未来实验奠定基础。