王小龙课题组在Υ(1S,2S)单举衰变中获得Pcs(4459)的证据

近日，王小龙课题组基于Belle/Belle II实验在Upsilon(1S,2S)的单举衰变中发现含粲-奇异夸克的五夸克候选粒子Pcs(4459)的证据，这是五夸克态实验研究领域的重要进展，成果发表于《物理评论快报》上[Phys. Rev. Lett. 135, 041901 (2025)]。博士生邹世明为论文实际第一作者、王小龙教授为论文通讯作者（按照Belle II国际合作实验论文署名规则，作者名单按照姓名字母排序）。

图：2025年Belle/Belle II实验在单举衰变中获得Pcs(4459)的证据。

强子是由夸克通过强相互作用束缚而成的束缚态，比如质子和中子。常规的夸克模型认为强子的内部结构是三个夸克（重子）或一对正反夸克（介子）。LHCb实验于2015年在pJ/ψ末态中发现Pc粒子，打开了五夸克态实验研究的大门，入选了英国《物理世界》杂志年度物理学领域“十大突破”和美国《物理》杂志年度物理学领域“八项重要成果”。在继续寻找五夸克态的进程中，LHCb实验分别于2021年和2023年在ΛJ/ψ末态中获得Pcs(4459)的证据(3.1σ)和Pcs(4380)的发现，被认为是uds夸克和一对正反粲夸克组成的五夸克态的候选者。它们的质量分别为4.46 GeV/c²和4.38 GeV/c²。如何在新的实验、利用新的产生机制寻找和验证这些粒子一直是强子物理领域的重要前沿课题。由于这些粒子的大质量和重子数守恒限制，现有的正负电子对撞机实验在产生它们方面具有相当大的困难。

王小龙课题组提出基于Belle/Belle II实验所拥有的世界上最大的Upsilon(1S,2S)数据样本，利用底夸克偶素通过胶子交换湮灭所形成的夸克富集环境，在其单举衰变产生寻找和研究五夸克态候选粒子。该样本拥有1.0亿Upsilon(1S)事例和1.6亿Upsilon(2S)事例。课题组研究发现，在ΛJ/ψ末态的Pcs(4459)质量附近有明显的结构，通过约束于Pcs(4459)质量和宽度的拟合并考虑了系统误差获得3.3σ的信号显著性。在自由拟合中，该结构的质量和宽度分别为4471.7±4.8±0.6 MeV/c²和22±13±3 MeV，统计显著性达到3.8σ。同时，本研究并未在Υ(1S,2S)单举衰变中获得明显的Pcs(4380)信号。

此前的Pc和Pcs等五夸克态研究只在LHCb一个实验进行，未得到其他实验的交叉验证。王小龙课题组首次在正负电子对撞实验进行研究并获得Pcs的证据，发现了研究五夸克态的新途径。两种不同产生机制数据是理解五夸克态结构的关键。Belle II实验设计亮度比Belle实验高两个量级，这一新途径的发现极大提升了基于未来大统计量Belle II实验数据发现新粒子的潜力，拓展了研究强相互作用的新途径。

相关研究获得国家自然科学基金和国家重点研发计划的经费资助。

论文链接：hhttps://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/pf8m-6j69