“奇異粒子” 如何輻射衰變？BESIII 實驗給出新答案

文章來源于 中國科學院高能物理研究所

2026年4月8日，國際學術期刊《物理評論快報》發表了北京譜儀III（BESIII）實驗的一項重要研究成果。基于北京正負電子對撞機（BEPCII）上采集的實驗數據，BESIII國際合作組首次觀測到兩種激發態“奇異粒子”——Λ(1520)和Λ(1690)，它們通過輻射衰變產生光子（γ）并轉變為Σ?超子的過程。這一發現填補了相關實驗觀測領域長達二十余年的空白，并為研究激發態超子的內部電磁結構提供了關鍵數據，同時對現有理論模型提出了新的挑戰。

本圖為AI生成

超子：一個探秘“夸克禁閉”的奇異窗口

為了理解這項發現的重要性，我們首先要認識故事的主角：Λ超子。

原子核由質子與中子（統稱為核子）構成，而核子又由上夸克和下夸克三種組合而成。Λ 超子可以看作是核子帶有奇異性的 “近親”，它同樣由三個夸克組成：一個上夸克、一個下夸克，以及決定其奇異性的關鍵粒子 —— 奇異夸克。

Λ(1520) 和 Λ(1690) 可以看作是 Λ 超子的 “高能升級版”。它們比普通 Λ 超子能量更高、也更不穩定，壽命極短，大約只有 10?2?秒，幾乎一出現就會衰變，被物理學家稱為Λ超子的“激發態”

研究它們內部是怎么構成的、如何產生、又如何衰變，對我們理解夸克世界至關重要。正是這些超子激發態，幫我們揭開強相互作用的秘密 —— 這種力就像 “宇宙膠水”，把夸克緊緊粘在一起；也能解釋 “夸克禁閉” 這一神奇現象：為什么夸克只能抱團存在，卻從來不能被單獨看見。可以說，它們是研究微觀強力世界最理想的 “天然實驗室”。

輻射衰變：探測粒子電磁結構的手段

那么，物理學家又是如何觀測和研究這些轉瞬即逝的微觀粒子呢？電磁輻射衰變是其中極為關鍵的手段。簡單來說，這是粒子釋放出一個光子（γ 射線），并由此轉變為另一種粒子的過程。

為什么這一過程如此重要？因為光子正是傳遞電磁相互作用的 “信使”。當粒子通過電磁力發生衰變時，發出的光子會直接 “記錄” 下粒子內部的電荷分布與磁矩結構。Λ(1520) 衰變時釋放的光子，就攜帶著它內部上、下、奇異三個夸克構成的復雜電磁信息，相當于給我們提供了一次無損 “透視” 其內部結構的寶貴機會。

然而，這類電磁衰變過程極為稀有，因此盡管物理學家早在半個多世紀前就意識到它的重要價值，相關實驗觀測依然困難重重。比如 Λ(1520) 衰變成光子和 Σ? 這個過程，相關實驗數據已經空白了二十多年；而 Λ(1690) 的同類衰變，更是到現在都沒有實驗觀測到。

BESIII探測器：在百億次碰撞中捕捉微弱信號

這次重要突破的成功實現，既得益于北京正負電子對撞機（BEPCII）的優異性能，也離不開北京譜儀 Ⅲ（BESIII）強大的探測能力。BESIII 是一臺世界領先的粒子探測器，依托 BEPCII 運行，坐落于中國科學院高能物理研究所。

研究團隊利用 BESIII 探測器積累的海量實驗數據，開展了精準測量，其中僅 J/ψ 粒子衰變事例就多達約100 億。J/ψ 由粲夸克與反粲夸克組成，被譽為“粲物理的金礦”—— 它能以極高的概率產生各類奇異粒子，其中就包括我們關注的 Λ 超子及其激發態。

物理學家在海量數據里，仔細找出了那些可能出現J/ψ 衰變成“反Λ、Λ 和光子”，或是“反Λ、Σ?和光子”的事例。他們重點查看了產物中光子和 Σ?超子組合起來的質量特征，畫出了一張精細的 “質量分布圖”。

圖 1、γΣ?的不變質量分布及擬合結果

在這張圖上，兩個非常明顯的 “尖峰” 清晰地出現了：一個在 1.52 GeV/c2 附近，對應 Λ(1520)；另一個在 1.69 GeV/c2 附近，對應 Λ(1690)，如圖1所示。

這兩個信號的可靠程度極高，分別達到了16.6 倍和23.2 倍標準偏差。在粒子物理學界，只要達到5 倍就足以認定是 “新發現”。這次的結果遠遠超過標準，相當于第一次確鑿地看到了這兩種極其稀有的衰變過程。

精確測量：驗證與挑戰并存

但物理學家并不滿足于 “看到”，還對這些稀有衰變做了精確的定量測量。

研究團隊首先測出了 Λ(1520) 兩條輻射衰變道的分支比之比，也就是兩種衰變方式發生概率的比值：

B[Λ(1520) → γΛ] / B[Λ(1520) → γΣ?] = 3.19

這個結果非常關鍵。理論物理學家曾根據“夸克味 SU (3) 對稱性”—— 一種描述上夸克、下夸克、奇異夸克在強相互作用中近似對稱的理論 —— 預言這個比值大約在 2.5 左右。

BESIII 的測量值在實驗誤差范圍內與理論預測高度吻合，為SU (3) 對稱性在激發態超子衰變中依然成立提供新的實驗證據。

但更有意思、也更值得深思的是另一面。

研究團隊發現：Λ(1520) 的測量結果雖然和非相對論夸克模型（NRQM）的預測一致，卻和相對論組分夸克模型（RCQM）、代數模型等其他多個主流理論明顯對不上。

這就意味著：我們現在用來解釋夸克世界的很多理論，在描述這些高能激發態粒子的細微結構時，還不夠準確，依然有很大的改進空間。

最大謎團：相似粒子，迥異行為

這次發現最讓人意外又困惑的地方，來自 Λ(1520) 和 Λ(1690) 這一對 “姐妹粒子”。它們質量很接近，又都是 Λ 超子的高能激發態，本該行為相似，可在電磁輻射衰變上，卻表現出了截然不同的特點。

研究還發現一個差別：Λ(1690) 在衰變成 γΣ? 時信號非常清晰，可它衰變成 γΛ 的過程卻完全沒有出現，如圖 2 所示。

圖 2、γΛ的不變質量分布及擬合結果。

實驗數據給出了嚴格上限：Λ(1690) → γΛ 的發生概率，還不到它衰變成 γΣ? 的8%。這和 Λ(1520) 兩種衰變都能清晰觀測到的情況，形成了極其鮮明的對比。

這意味著，這兩個質量相近的激發態粒子，在通過釋放光子展現內部電磁結構時，表現出了截然不同的行為。

如果把衰變比作 “交流”，Λ(1520) 既能和 Λ 也能和 Σ? 產生信號，而 Λ(1690) 幾乎只 “偏愛” 變成 Σ?。

這一出乎意料的現象，是目前多數理論模型都沒有預料到、也難以解釋的。它強烈提示我們：Λ(1520) 和 Λ(1690) 或許并不像原先設想的那樣簡單，二者內部夸克的運動方式、甚至可能存在的夸克-膠子結構，都可能存在本質差別。

這一新謎題，為研究輕夸克如何構成種類繁多的激發態粒子打開了全新視角，也直接挑戰了現有描述輕夸克運動規律的理論體系。

開啟新篇章：微觀世界探索永無止境

BESIII 實驗的這項成果，是超子研究領域的一次重要突破。

物理學家首次找到了Λ(1520)→γΣ?和Λ(1690)→γΣ?這兩種全新的衰變方式，為研究這類高能粒子的內部結構，提供了前所未有的精確實驗數據。

更重要的是，Λ(1690) 表現出的這種反常 “偏好”，像一面鏡子一樣，清楚地暴露出我們現有的物理理論，在解釋夸克如何被牢牢束縛在粒子內部時，還遠遠不夠完善。

正如論文中所強調的：

“因此，對這些激發態超子衰變分支比的更精確測量，對于驗證理論模型至關重要，同時也為理解受限輕夸克間的相互作用提供了寶貴的見解。”

這項研究不僅充分展現了 BESIII 實驗的出色探測能力，Λ(1690) 表現出的奇特衰變方式，更告訴我們：在夸克禁閉的微觀世界里，還有大量復雜的結構和運行規律等待我們去發現。

未來，隨著 BESIII 收集更多實驗數據，以及新一代高亮度對撞機的投入運行，我們有望更細致地 “觀測” 這些神秘的激發態超子，一步步揭開它們內部結構的奧秘，從而更深刻地認識強相互作用—— 這種把夸克緊緊束縛在一起、構成宇宙中所有可見物質的最基本自然力之一。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/l6g2-2wg6

文章轉載自“中國科學院高能物理研究所”公眾號