近日，我院Belle II实验成员姬清平副教授与东南大学物理学院贾森副研究员、复旦大学现代物理研究所沈成平教授的合作研究在底夸克偶素研究领域中取得重要进展，成果以“Observation of e+e- -> omega chi_bJ(1P) and search for Xb -> omega Upsilon(1S) at sqrt(s) near 10.75 GeV”为题发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 130, 091902 (2023))上。此项工作观测到了Upsilon(10753)新的衰变模式Upsilon(10753) -> omega chi_bJ(1P),为阐释Upsilon(10753)粒子的内部属性提供了宝贵的实验信息。该研究成果是基于正负电子对撞机Belle II实验完成的，是Belle II实验夸克偶素物理组（Quarkonium Working Group）发表的第一篇论文。我校教师姬清平在其中对低能光子能量相关的系统误差的研究作出重要贡献。这也是我校自2020年11月份加入Belle II国际合作组以来我校教师合作完成的第一篇论文。
由粲偶素和底偶素组成的重夸克偶素覆盖了整个量子色动力学（QCD）能区，为理解QCD微扰和非微扰效应发挥了重要的桥梁作用，是近年来粒子物理热门的前沿研究领域之一。2019年，Belle实验在e+e- -> pi+ pi- Upsilon(nS) (n = 1, 2, 3)过程中首次发现了Upsilon(10753) [JHEP 10 (2019) 220]。为了进一步测量10.75 GeV能量点附近底偶素衰变的性质，Belle II实验在10.75 GeV附近获取了共19.6 fb-1的数据样本，专门用于对Upsilon(10753)的研究。利用这些Belle II实验的数据样本，我们对e+e- -> omega chi_bJ展开了研究。在10.745 GeV能量点，chi_b1和omega的信号很明显。利用Belle II实验在10.701, 10.745和10.745 GeV能量点和Belle实验在10.867 GeV能量点e+e- -> omega chi_bJ截面的结果，我们得到了随质心能量变化的散射截面的分布，见图1，从该分布上可以看出明显的Upsilon(10753)的信号，因此报道了新的Upsilon(10753)衰变模式Upsilon(10753)->omega chi_bJ。除此之外，我们还对X(3872)在底夸克偶素能区对应的Xb ->omega Upsilon(1S)进行了寻找，没有发现明显的Xb的信号，给出了90%置信水平下截面与分支比连乘的上限。
图1: 随着质心能量变化的e+e--> omega chi_b1和e+e--> omega chi_b2散射截面的分布。
实验发现，在 10.75 GeV能量点附近，e+e- -> omega chi_bJ和e+e- -> pi+ pi- Upsilon(nS)的截面大小是相近的，而在10.867 GeV能量点，e+e- -> omega chi_bJ的截面要比e+e- -> pi+ pi- Upsilon(nS)的截面小很多，这意味着Upsilon(10753)和Upsilon(10860)的内部结构是不一样。同时，实验测得e+e--> omega chi_b1和e+e- -> omega chi_b2截面的比值是1.3+/-0.6，这和理论上用D波或S-D波混合的底夸克偶素去解释Upsilon(10753)相矛盾。以上信息为理解Upsilon(10753)的内部结构提供了重要的实验判据。
研究成果以Belle II合作组的名义发表，按照Belle II合作组惯例，该论文的作者按照姓氏排序，排名不表示实际贡献大小。上述研究工作，也受到了国内理论学家郭奉坤教授、刘翔教授、陈殿勇教授，周智勇副教授的帮助。
该项工作受到国家自然科学基金面上项目、重点项目、国际交流合作项目和河南省高等学校重点科研项目的资助。
文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.091902