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科学家发现Λ超子横向极化并精确测量其衰变参数

2019-05-13 15:11:44 物理学 Λ超子 极化

  5月6日,英国《自然-物理》杂志发表了北京谱仪Ⅲ合作组(BESⅢ合作组)发现正负电子对撞中兰布达超子(Λ超子)存在横向极化,以及利用这个发现对Λ超子衰变非对称参数和对物质、反物质不对称性来源的高灵敏度的探测结果。

  超子,或称奇异重子,是含奇异夸克的重子。Λ超子是质量最小的超子,最早于20世纪40年代末在宇宙线实验中被发现,因质量比核子重而得名。1956年,李政道和杨振宁提出弱作用中宇称不守恒,建议通过研究超子的衰变检验他们的想法。

  1957年,吴健雄领导的实验团队在钴-60原子核衰变中,观测到出射电子分布的不对称性。在随后的几个月,有多个实验团队在Λ→pπ-中也观测到质子角分布的不对称性,证实了弱衰变中宇称不守恒。1957年,李政道与杨振宁因发现弱作用中宇称不守恒而获得诺贝尔物理学奖。

  随着宇称破坏的观念被证实,人们开始怀疑物质世界其他分立对称性的不变性。直到现在,寻找电荷共轭(C)和宇称(P)联合变换的破坏机制(CP破坏),仍然是理解我们生活的物质世界正反物质不对称谜题的重大课题。

  Λ超子和反Λ超子的衰变,是寻找CP破坏的一个重要场所。如果CP变换是守恒的,那么Λ超子和它的反超子的衰变参数,绝对值大小相等,符号相反,它们的衰变参数之和为零。实验上非零的测量结果意味着CP破坏。

  BESⅢ合作组利用13亿J/ψ事例,挑选出43万J/ψ→ΛΛ-bar→(pπ-)(p-barπ+)衰变事例(如图1所示)。实验利用Λ超子和它的反超子形成的自旋纠缠系统,通过角分布分析,首次观测到显著的超子横向极化,最大极化度达到25%(见图2)。BESⅢ对Λ超子的衰变参数测量结果为0.750±0.010,反超子的衰变参数为-0.758±0.012,在3%的灵敏度下确认超子衰变中不存在CP破坏。

  BESⅢ测量把Λ超子和反超子的衰变参数精度提高到1.3%,这是目前世界上最精确的结果。值得注意的是,Λ超子目前的世界平均值比BESⅢ的测量小超过5倍标准偏差,表明在过去40多年的时间里,Λ超子的衰变参数在使用中一直被低估了17%。这个测量结果,作为其他实验测量的输入,将刷新大批其他超子和粲重子衰变参数的世界平均值。

  目前,BESⅢ采集了共100亿J/ψ事例,是上述测量所用数据的8倍。合作组正在对其他超子的极化作系统研究,寻找超子衰变中可能存在的CP破坏效应。

  论文链接

图1. 正负电子对撞机上,J/ψ的产生以及衰变J/ψ→ΛΛ-bar→(pπ-)(p-barπ+)示意图

图2. Λ超子的横向极化随极角θΛ的分布

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