近日，我院王雄飞教授课题组基于北京谱仪（BESIII）实验在ψ(3686)共振峰值处采集的27亿的实验数据样本，主导完成了科西超子激发态Ξ(1530)0的极化和电磁矩的首次测量。相关成果“Observation of Ξ(1530)0 Polarization and Determination of its Electric and Magnetic Moments in ψ(3686)→Ξ(1530)0Ξ(1530)0-bar”于2026年7月1日在物理学国际顶级期刊《物理评论快报（Physical Review Letters）》在线发表。我院博士生张若愚和张景旭同学做出了重要贡献，其中张若愚为文章实际第一作者，王雄飞教授为文章实际通讯作者。
图为ψ(3686)→Ξ(1530)0Ξ(1530)0-bar反应过程、Ξ(1530)0各极化项分布和电磁矩结构示意图。
粒子物理标准模型告诉我们，在微观尺度上，构成物质的最基本单元并非原子，而是更基本的夸克与轻子。其中，夸克通过强相互作用结合成统称为强子的复合粒子。依据夸克组成的不同，强子可分为两类：由三个夸克构成的费米子称为重子，质子、中子以及质量更大含有奇异夸克的超子均属此类；而由一个夸克与一个反夸克构成的玻色子则称为介子。描述夸克间强相互作用的理论为量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）。自QCD提出五十余年来，其在高能标度下的有效性已获精确验证。然而，在低能标度下，强相互作用极为强烈，传统微扰论不再适用，致使强子内部结构及其动力学机制仍存在诸多尚未阐明的问题。目前，对超子及其激发态的理论研究主要依赖格点QCD理论。该理论通过将连续时空离散转化为有限的欧氏格点，并借助蒙特卡罗模拟等数值技术，构建起一套可靠的非微扰计算框架。利用格点QCD方法，理论上可直接计算超子的形状因子，即电磁矩，涵盖描述高自旋粒子的高阶多极矩。这些物理量为探究超子的内部结构及强相互作用的非微扰行为提供了重要窗口。然而，由于高自旋超子寿命极短、实验上难以捕捉，对其电磁矩的实验测量长期面临巨大挑战。
超子作为由三种色荷夸克构成的最简单的色中性系统，是粒子物理与核物理中探索夸克-胶子结构的关键探针。尽管对超子的研究已有数十年，但对其大小、自旋及内部结构等问题研究仍未完全清晰。自20世纪50年代首次测定质子形状因子以来，形状因子一直被视为刻画重子内部结构的重要物理量。形状因子的提出，源自一个基本问题：若粒子并非不可分的点粒子，而具有复杂的内部结构，应如何探测其内部的电荷与磁化分布。在某种意义上，形状因子犹如粒子的“CT扫描”，可助科学家重构其内部结构图像。对自旋1/2的重子，如质子，其电磁结构可由电形状因子与磁形状因子两个量描述，分别反映内部电荷和磁性的空间分布。而对如Ξ(1530)0这类自旋3/2的高自旋超子，其内部结构更为丰富，需四个独立形状因子才能完整刻画，即电荷（GE）、磁偶极矩（GM）、电四极矩（GQ）和磁八极矩（GO）。其中，GQ与GO属于高阶多极矩，对粒子内部电荷与磁化分布的细微特征尤其敏感。如果说GE和GM是表征电荷与磁性如何分布，那么GQ与GO则是揭示这些分布是否均匀、是否存在形变，从而帮助科学家判断粒子是更接近理想球体，还是被拉长、压扁，甚至具有更复杂的结构。因此，高阶多极矩被视为研究高自旋超子内部三维结构最灵敏的探针之一。
近年来，大型对撞机实验通过正负电子对撞产生超子-反超子对，为提取类时区域的超子子电磁形状因子提供了理想平台。与传统的类空散射实验不同，在类时区域中，超子的电磁形状因子通常为复数，不同形状因子之间的相位差会导致产生的超子呈现特定的极化效应；即使初始束流未极化，该效应仍可能出现。由于电磁结构更为复杂，自旋3/2超子的极化性质也远较自旋1/2超子复杂：后者仅包含矢量极化项，而前者除矢量极化外，还包含四极及八极极化分量。换言之，自旋3/2超子的极化信息不仅反映其“指向何方”，还涉及“如何排列”的细节结构。
图为Ξ(1530)0的非零极化项以及Ξ(1530)0与Ξ(1530)0-bar之间极化关联项的分布示意图。
在本研究中，课题组利用北京谱仪BESIII探测器在ψ(3686)共振峰处采集的27亿的数据样本，通过对ψ(3686)→Ξ(1530)0Ξ(1530)0-bar反应过程及其级联衰变链的分析研究，首次实现了对Ξ(1530)0超子激发态的极化与电磁矩的测量。实验结果表明，Ξ(1530)0超子的总体极化显著性超过20倍标准差。同时，该超子表现出显著的非零电四极矩与磁八极矩，说明其内部电荷与磁化分布偏离球对称形态，呈现出更为复杂的三维结构特征。此项工作不仅填补了当前超子高阶多极矩实验数据的空白，更为理解超子内部结构提供了重要实验依据，并对格点QCD与夸克模型的理论研究具有重要参考价值。
本项工作也受到了兰州理论物理中心、中央高校基本科研业务费和甘肃省自然科学基金的资助。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/mbrf-3ly5
新闻背景
BESIII合作组依托北京正负电子对撞机上的BESIII探测器，在tau-粲能区开展高能物理实验研究。北京谱仪BESIII实验合作组发表论文，基于在北京正负电子对撞机上的BESIII探测器获取的实验数据完成。遵循高能物理领域大型实验合作组国际通用署名规则，论文作者按字母顺序排列。BESIII实验依托单位中国科学院高能物理研究所在单位排列中为第一，其他单位按字母顺序。论文作者及单位次序不表明贡献大小，作者对发表论文的贡献以合作组内部的物理分析文档《Memo》记录为准。
