近日，复旦大学现代物理研究所罗涛课题组与苏州大学徐新平教授、高能所马海龙研究员团队合作，在粲介子半轻衰变的实验研究中取得重要进展。他们基于中科院高能所北京正负电子对撞机上的北京谱仪III(BESIII)探测器获取的实验数据，首次在实验上发现带电粲介子(D⁺)到η’介子的缪子半轻跃迁，进而验证了在D⁺→η^'半轻跃迁中缪子-电子普适性在误差范围内成立，并首次抽取到粲夸克到η’强子跃迁形状因子。研究结果对检验微扰-非微扰量子色动力学（QCD）有效理论、检验粲夸克缪子-电子半轻跃迁中的轻子普适性提供了关键依据。相关论文以“Observation of D⁺→η^'μ⁺ν_μ and First Experimental Study of D⁺→η^'l⁺ν_l Decay Dynamics”为题发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 134.111801(2025))上。这是课题组继今年1月2日在《物理评论快报》（Phys. Rev. Lett. 134, 011803 (2025)）上发表题为“Test of Lepton Universality and Measurement of the Form Factors of D⁰→K^*(892)^-μ⁺ν_μ”的研究成果后，在一系列粲介子半轻衰变的实验研究中取得的最新重要进展。

量子色动力学(QCD)是标准模型中描述强相互作用的基本理论。1973年，F. Wilczek和D. Gross，与D. Politzer同时提出了QCD 在高能下的“渐近自由”理论，得到了大量实验的支持，三人因此获2004年的诺贝尔物理学奖。但是非微扰能区的QCD理论因其更复杂，尚有待进一步发展和验证。粲介子的半轻衰变是研究介子中不同夸克之间的弱相互作用和强相互作用的理想场所之一。粲介子的半轻衰变宽度和强子跃迁形状因子与CKM矩阵元的乘积相关，而强子跃迁形状因子是用来描述非微扰效应影响下的初末态强子之间强相互作用的重要参数。

研究团队利用BESIII实验在束流质心能量3.773 GeV处采集的20.3fb^-1正负电子对撞数据，首次观测到D⁺→η^'缪子半轻跃迁信号并测量其衰变率为(1.92±0.29)×10^-4，统计显著性超过5倍标准偏差；并改进测量了D⁺→η^'电子半轻跃迁的衰变率为(1.79±0.20)×10^-4；团队测定的D⁺→η^'缪子和电子半轻跃迁的衰变率之比为1.07±0.19；进一步检测了不同动量范围的缪子和电子半轻跃迁的衰变率之比；在D⁺→η^'半轻跃迁中首次检验了缪子-电子普适性。此外，团队通过联合拟合D⁺→η^'电子(e)和缪子（μ）半轻跃迁率,首次在实验上抽取到D⁺→η^'强子跃迁形状因子f^D+→η'₊(0)=0.263±0.026。形状因子和衰变率结果可以明确排除一些理论模型，如图1所示。这些结果对约束粲夸克衰变中的新物理空间有重要作用，将有效推动人们对粲介子半轻衰变在非微扰能区的动力学机制研究。

图1.D⁺→η^’l⁺v_l强子跃迁形状因子和半轻跃迁衰变率测量结果与理论计算的比较。

复旦大学博士毕业生潘祥（现为苏州大学博士后）和其导师罗涛青年研究员、以及苏州大学的徐新平教授、中科院高能所的马海龙研究员是该研究工作的主要完成人。北京谱仪III是位于北京高能物理研究所的北京正负电子对撞机上的国际合作大科学装置。其探测器维护和离线软件团队、北京正负电子对撞机的加速器运行维护团队为数据采集和分析做出了重要贡献。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、教育部和复旦大学等支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.134.111801

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.111801