近日我校物理科学与技术学院粒子物理实验组在粲物理实验研究上取得重要进展，在世界上首次对奇异粲介子到正负电子对末态的四体衰变进行了研究，并首次找到D_s⁺ → ρ⁺ ϕ(→e⁺ e^-)衰变的迹象。基于这项研究成果的北京谱仪合作组论文已于2024年9月17日在物理学顶级学术期刊《物理评论快报》上在线发表。

寻找超出标准模型的新物理是当前粒子物理领域的一个至关重要的问题。通过重味强子到双轻子末态的味改变中性流过程可以对新物理进行间接寻找，相比直接寻找能够侦测到更高的能标。我们利用北京谱仪III实验在粲阈值附近（正负电子对撞质心能量在4.128-4.226 GeV区间)采集到的积分亮度为7.33 fb^-1的实验数据，对奇异粲介子到包含正负电子对的一系列四体衰变道进行了首次寻找，填补了相关实验研究的空白。在e⁺ e^-不变质量为0.98-1.04 GeV区间（ϕ介子质量附近），本工作给出了D_s⁺ →π⁺ ϕ(→e⁺ e^-)和D_s⁺ → ρ⁺ ϕ(→e⁺ e^-) 两个过程的分支比，精度均在10^-6量级，分别为世界最高精度和首次测量【见图1】。本工作还对D_s⁺ →π⁺π⁰e⁺ e^-, D_s⁺ →K⁺π⁰e⁺ e^-, D_s⁺ →K_S⁰π⁺e⁺ e^- 等衰变的分支比首次给出了上限，均在10^-5量级。本工作加深了我们对粲介子到双轻子末态长程贡献的理解，并且可以用来检验与c → u l⁺ l^-和D_s⁺ →V γ 过程相关的理论计算。

图1：通过拟合北京谱仪III实验数据分别提取了38.2^+7.8_-6.8个D_s⁺ →π⁺ ϕ(→e⁺ e^-)信号和37.8^+10.3_-9.6个D_s⁺ → ρ⁺ ϕ(→e⁺ e^-)信号。

本工作最早由孙亮教授于2021年5月在合作组内提出研究构想和实施方案。作为本科生科研训练的一部分，本校2019级本科生黄志园（现为美国约翰霍普金斯大学研究生）和刘雪吟（现为本院直博生）等对本工作做出了重要贡献。孙亮课题组博士后姜候兵（已于今年3月出站）作为实际通讯作者，负责了相关论文的撰写及投稿至arXiv.org和PRL（见本文下方相关链接），并回复了两位审稿人的评审意见。本工作的主要贡献者还包括本院的蔡浩副教授。相关论文受到了《物理评论快报》审稿人的高度评价，评审意见中提到了该论文质量非常高，应尽快予以发表（“be of the highest quality... It should be published in PRL as soon as possible.”）。按照高能物理学界的惯例，论文由北京谱仪III合作组全体成员依作者姓氏英文字母顺序共同署名。

本工作得到了海外高层次人才计划和国家自然科学基金重大项目的支持。

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论文预印本网址：https://arxiv.org/abs/2404.05973

PRL投稿信息：https://authors.aps.org/Submissions/status?accode=LR18603&author=Ablikim&commit=Submit

PRL文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.121801