近日,北航beat365英国官网网站耿立升教授團隊在超子弱輻射衰變研究中取得重要進展,相關成果以“Weak radiative hyperon decays in covariant baryon chiral perturbation theory”為題,于2022年12月2日發表在中國卓越計劃領軍期刊《Science Bulletin》上。

圖1:文章信息
超子是包含至少一個奇異誇克的重子,其弱衰變主要包括三類:非輕衰變、半輕衰變以及輻射衰變。超子弱輻射衰變在誇克層次上體現為奇異誇克s轉變為下誇克d,是少有的同時涉及自然界中除引力外其它三種相互作用(即強、弱和電磁相互作用)的獨特物理過程(見圖2)。這個看似簡單的兩體衰變,由于長久以來不對稱參數的實驗測量值與理論預言存在較大差異,一直是粒子物理研究的焦點問題之一,被稱為超子弱輻射衰變疑難。曆史上,這個疑難起始于實驗測量的Σ+→pγ衰變過程中的不對稱參數與理論預言存在顯著差異。1964年,理論物理學家Yasuo Hara基于電荷共轭和空間反射聯合變換(CP)守恒,電磁規範不變性以及U自旋對稱性(奇異誇克和下誇克之間轉換不變)的假設,提出著名的Hara定理,該定理預言:在精确的SU(3)味道對稱性下,Σ+→pγ衰變的不對稱參數為0。即使考慮SU(3)味道對稱性輕微的破缺效應,這個不對稱參數也應該很小。然而,實驗測量得到的Σ+→pγ衰變的不對稱參數是一個接近于-1(最大破缺)的值,與Hara定理的預言存在顯著差别。

圖2:超子弱輻射衰變Λ→nγ的費曼圖,其誇克層次對應s→d γ過程。
2022年6月,北京正負電子對撞機上的BESIII合作組首次測量了Λ→nγ衰變的不對稱參數,更新了其衰變分支比(與以前的測量值相差5.6個标準差),發現已有的理論預言均不能解釋新的實驗數據[Phys.Rev.Lett.129:212002,2022],這進一步加劇了超子弱輻射衰變疑難問題。
重子手征微擾理論是量子色動力學的低能有效理論,根據處理記階規則破壞項的方式不同,存在三種形式,即重重子手征微擾理論(HB χPT),基于紅外重整化方案的協變重子手征手征微擾理論(IRχPT)以及基于拓展的質量在殼重整化方案的協變重子手征微擾理論(EOMSχPT)。 其中,EOMSχPT成功解決了低能非微擾強相互作用物理研究中長期存在的一系列疑難問題,如重子磁矩、質子康普頓散射以及π介子和質子散射等,此外,相比于HBχPT和IRχPT,EOMSχPT具有更快的收斂速度。2022年,耿立升教授團隊基于EOMSχPT,研究核子-核子相互作用,得到了世界上首個相對論高精度手征核力[Phys.Rev.Lett. 128:142002,2022]。
在本工作中,耿立升教授團隊基于EOMSχPT,首次考慮了接觸項樹圖貢獻,通過拟合最新的超子非輕衰變實驗數據,确定理論的相關輸入,系統研究了全部六個超子弱輻射(八重态)衰變道,結果顯示協變手征微擾理論能夠很好地描述BESIII最新測量的Λ→nγ衰變道,并且能夠同時描述其它四個有觀測結果的超子弱輻射衰變道(見圖3)。理論預言僅在Σ+→pγ衰變道與實驗數據存在一定偏差。考慮到手征微擾理論的模型無關特性,該團隊鼓勵實驗物理學家在未來精确測量Ξ-→Σ-γ衰變道,以檢驗當前關于Σ+→pγ衰變的實驗數據是否可靠,從而進一步加深對超子弱輻射衰變疑難的理解。此外,這個工作也為基于超子稀有半輕衰變Bi→Bf l l的新物理研究提供了必要的标準模型輸入。

圖3:六個超子弱輻射(八重态)衰變道的不對稱參數随宇稱守恒振幅a的變化:橫坐标可認為是衰變分之比,縱坐标為不對稱參數。紅色的線以及陰影區域為本工作的計算結果。黑色的誤差條代表了最新的實驗數據。剩餘顔色的線和圖形是其它理論模型、方法預測的結果。
該論文獲得了評審專家及BESIII合作組的高度評價,已于2022年12月在期刊《Science Bulletin》正式在線發表,史瑞祥博士為第一作者,耿立升教授為通訊作者。文章鍊接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.10.026。此項研究得到了國家自然科學基委、中國博士後科學基金會以及beat365英国官网网站等的資助。
《Science Bulletin》是由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同創辦的自然科學綜合類刊物, 位列JCR綜合類期刊Q1區全球73種多學科綜合類期刊第5位,2021年影響因子20.577。