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粲强子谱：理论、实验与前沿问题探索

一、引言

1.1研究背景与意义

粒子物理学作为探索物质微观世界奥秘的前沿学科，致力于揭示构成物质的基本粒子及其相互作用规律。在粒子物理学的标准模型框架下，自然界中的物质由三代夸克和三代轻子构成，它们之间通过电磁力、弱力和强力相互作用，电弱统一理论和量子色动力学（QCD）分别成功地描述了电磁相互作用与弱相互作用的统一，以及强相互作用。2012年希格斯玻色子在欧洲大型强子对撞机上的发现，填补了标准模型中关于粒子质量来源的重要缺口，使得标准模型在小于1GeV到几TeV的能量范围内能够准确地解释大量实验数据。

尽管标准模型取得了巨大的成功，但它仍然存在许多尚未解决的关键物理问题和无法解释的自然现象。例如，在夸克层级中尚未发现的CP破坏来源，这一缺失或许可以解释为什么宇宙中正物质远多于反物质；天体观测表明宇宙大部分由暗物质组成，暗物质的存在将对现有的标准模型产生影响；许多超出标准模型范畴的模型可能会影响夸克味道相互作用。因此，精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理成为当前粒子物理研究的前沿。

强相互作用作为自然界四种基本相互作用之一，其媒介粒子胶子之间存在相互作用，这一独特性质使得强相互作用在低能区呈现出复杂的非微扰特性，与其他相互作用力有明显区别。在低能区，量子色动力学的微扰近似方法不再适用，导致理论计算面临巨大挑战，同时也使得人们对强相互作用的理解存在许多空白。例如，胶子之间的相互作用可能催生出富含胶子的物质形态，如胶球等，但迄今人们对这些物质的性质和结构仍然知之甚少。

粲强子作为包含粲夸克的粒子，在粒子物理学研究中具有重要地位。粲强子包括由一个粲夸克（c）与一个反轻夸克组成的粲介子，以及与一对轻夸克组成的粲重子。处于强作用力基态的粲强子，即基态粲介子（D0，D+，Ds+）与基态粲重子，其衰变模式由会发生夸克味道改变的弱相互作用主导，这使得基态粲强子的衰变模式丰富多样，成为多角度检验弱作用理论的绝佳场所。在基态粲强子的弱衰变过程中，粲夸克放出W规范玻色子后转换成轻夸克，这个轻夸克与其他末态夸克会受到强作用力再相互结合成末态强子，因此基态粲强子衰变也被用来检验强相互作用机制。此外，粲强子的质量大约在2GeV左右，处于微扰和非微扰QCD的过渡区域，对其研究有助于深入理解这一特殊能量区域的物理现象和规律。

对粲强子谱的研究具有多方面的重要意义。通过研究粲强子谱，我们可以深入了解强相互作用的基本性质和规律。由于粲强子的内部结构和相互作用涉及到夸克和胶子层次，对其谱学的精确测量和理论分析能够为量子色动力学在低能区的研究提供重要的实验依据，有助于解决量子色动力学在低能区面临的理论和实验挑战，进一步完善我们对强相互作用的理解。

对粲强子谱的研究可以精确检验标准模型。粲强子的衰变过程涉及到弱相互作用和强相互作用的交织，通过精确测量粲强子的衰变分支比、衰变常数、形状因子等物理量，以及研究粲强子的产生和湮灭机制，可以对标准模型中的相关理论预言进行严格检验，验证标准模型在描述粲强子物理现象方面的正确性和完备性，同时也可能发现与标准模型预测不一致的异常现象，为寻找超出标准模型的新物理提供线索。

粲强子谱的研究还有助于探索新的物理现象和未知领域。在研究粲强子谱的过程中，可能会发现一些不符合传统理论预期的奇特强子态，如四夸克态、五夸克态、胶球等。这些奇特强子态的发现将拓展我们对物质结构的认识，揭示新的物理规律和相互作用机制，为粒子物理学的发展开辟新的方向。

1.2粲强子谱研究现状

近年来，国内外在粲强子谱研究方面取得了一系列重要成果。实验上，多个大型实验合作组通过高精度的测量，发现了许多新的粲强子态，并对已知粲强子的性质进行了更精确的测量。理论上，各种理论模型和计算方法被广泛应用于粲强子谱的研究，为理解粲强子的内部结构和相互作用提供了重要的理论支持。

北京正负电子对撞机（BEPC）上的北京谱仪（BES）实验在粲强子物理研究方面发挥了重要作用。BES实验通过对粲强子的产生和衰变过程进行精确测量，获得了大量关于粲强子的实验数据。例如，BESIII实验在质心系能量3.773GeV、4.128—4.226GeV和4.6—4.95GeV能区内采集了大量的实验数据，利用这些数据，研究人员在粲介子衰变常数和粲夸克跃迁形状因子、粲夸克相关的夸克味道混合矩阵元（|Vcd|,|Vcs|）以及轻子普适性的测量或检验等方面取得了重要成果。在2012年，BESⅢ利用在3.773GeV采集的2.93fb-1数据，在国际会议上报道了纯轻衰变D+→μ+νμ的研究结果，首次提出使用纯轻衰变D+→μ+νμ来测定|Vcd|，同时还精确测量了D+介子衰变常数，把世界平