Measurement of electromagnetic transition form factors in two-photon collisions at BESIII

宇宙由并不总是可见的力量维系着，而现代物理学中最持久的谜团之一涉及一种被称为μ子（muon）的微小粒子。这种粒子是电子的一个更重的“表亲”，它拥有一种磁属性，使其在旋转时会产生摆动。科学家们已经根据标准模型（我们目前关于宇宙运作方式的最佳理论）精确计算了这种摆动应当达到的程度。然而，当他们在现实世界中测量这种摆动时，结果却与之不同。这种预测与现实之间的差距表明我们的理解中存在某些缺失，或许是一种新的自然力，或者是我们在计算低能状态下强相互作用力行为时存在缺陷。为了解决这个谜题，物理学家必须精炼他们对粒子如何相互作用的计算，特别是研究光与物质以何种方式碰撞，而这种碰撞方式在目前的数学手段下难以预测。

为了获得更清晰的图景，研究人员需要关于某些粒子在同时受到两束光照射时的反应的精确数据。这一过程被称为“双光子融合”，它是理解对μ子磁矩摆动有贡献的“强子光由光散射”（hadronic light-by-light scattering）的关键。理论模型在产生最重要影响的低能级水平上难以描述这种相互作用。因此，科学家们必须转向能够直接观察这些碰撞的实验。位于中国北京的BESIII实验运行在一种使其能够独特地观察这些罕见事件发生的能量水平。通过碰撞电子和正电子，该机器创造出一场粒子流，其中包括中性π介子（pion）和其他短寿命状态，从而允许物理学家测量这些粒子在被两个光子撞击时是如何形成的。

在这项最新的工作中，BESIII合作组利用大量的碰撞数据，测量了几种轻粒子的电磁跃迁形式因子（transition form factors）。跃迁形式因子本质上是一张地图，展示了一个粒子的内部结构在被特定能量的光子撞击时是如何变化的。团队首先关注的是中性π介子，这是一种由一个夸克和一个反夸克组成的基元粒子。利用2.93 fb⁻¹的碰撞数据，他们测量了π介子在受到单个虚光子（即在碰撞过程中仅瞬时存在的光子）作用时，在一定低能范围内的响应情况。其结果是一次高精度的测量，填补了以往实验留下的空白。通过与现有理论进行对比，新数据提供了一个严苛的测试，有助于区分试图描述强相互作用力的不同数学模型。测量结果与某些理论预测吻合良好，同时也排除了其他模型，为计算μ子的反常磁矩提供了更清晰的路径。

除了单π介子之外，研究人员还调查了两个光子碰撞产生一对中性π介子的过程。这一过程更为复杂，因为它涉及中间态，或者说临时共振态，它们充当了初始碰撞与最终粒子之间的跳板。团队分析了数据，以分离出特定粒子的贡献，包括被称为f0(500)和f0(980)的标量介子，以及张量介子f2(1270)。通过根据碰撞能量和粒子出现角度对数据进行仔细分类，他们成功分离出了这些短寿命状态的信号。这使得他们能够提取出这些粒子的跃迁形式因子，并首次获得了f0(500)跃迁形式因子的测量值，同时也得到了关于f0(980)和f2(1270)跃迁形式因子最精确且最低能级的测定。数据揭示了这些粒子的内部结构，其精度是此前从未实现的，展示了它们在低能状态下如何与光发生相互作用。

这些发现的意义不仅限于对粒子属性的编目。新的测量结果提供了用于精炼μ子反常磁矩理论预测的关键实验输入。通过降低“强子光由光散射”贡献中的不确定性，这项工作有助于澄清这种理论与实验之间的差异究竟是由于新物理学的存在，还是仅仅由于我们现有模型的局限性。BESIII团队已经证明，通过大规模数据集和细致的分析，实现以前所未有的精度探测这些粒子的内部运作是可能的。展望未来，该实验计划使用更大的数据集来测量其他粒子的形式因子，包括f1(1285)，后者预计对于解决μ子之谜将更为重要。这些努力代表了朝着解决物理学中最引人入胜的问题迈出的稳健、有条理的一步，使科学界离理解塑造我们宇宙的基本力更近一步。