近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心、核科学与技术学院肖栋青年研究员与复旦大学现代物理研究所罗涛课题组合作，在Ω-超子激发态的实验研究中取得重要进展，研究成果以“Evidence for two excited Ω- hyperons”为题发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. 134, 131903 (2025))上。该成果基于中科院高能所北京正负电子对撞机上的的北京谱仪III(BESIII)探测器获取的实验数据完成。

1964年，盖尔曼(M. Gell-Mann)和茨威格(G. Zweig)提出夸克模型，基于强子(指夸克在强相互作用下形成的束缚体系)的内在夸克结构对强子分类，盖尔曼因此获得1969年诺贝尔物理学奖。根据夸克模型，重子属于强子的一种，含有三个夸克。类似于原子体系在库仑势中呈现的能级激发，重子在强相互作用下同样展现出复杂的能谱，表现为重子激发态。然而，夸克模型预测的重子激发态的数量远多于实验上观测到的数量，这便是重子谱学中最重要的问题之一——“丢失”的重子激发态。因此，寻找和研究重子激发态有助于我们解决重子“丢失”之谜，完善用于描述强相互作用的量子色动力学理论。与其他夸克组成的轻重子谱相比，我们对由三个奇异夸克组成的Ω-超子谱的了解更是非常有限，这促使我们进一步寻找更多的Ω-超子激发态。

2018年，Belle合作组在实验上观测到一个新粒子，Ω(2012)-。一些理论家根据夸克模型的计算认为Ω(2012)-可能是Ω-重子的第一轨道激发态的候选者。然而，另外也有理论认为Ω(2012)-具有强子分子态的奇特结构。截至目前，Ω(2012)-的性质仍然存在很大争议。

研究团队利用BESIII实验在高能量区域采集的大量数据样本，通过开发出的新的研究方法，在实验上证实了Ω(2012)-存在的证据(信号显著性为3.5倍标准偏差)，同时，研究团队首次发现了一个新的Ω超子激发态的实验证据，信号显著性达到了4.1倍标准偏差，如图1所示，研究团队将其命名为Ω(2109)-。测量到的质量和宽度分别为：

MΩ2109-=[2108.5±5.2(stat.)±0.9(syst.)] MeV/c2

和

ΓΩ2109-=18.3±16.4stat.±5.7syst. MeV.

研究团队所报道的关于Ω(2109)-和Ω(2012)-的研究成果有助于解决重子激发态“丢失”之谜和揭示Ω(2012)-的内部结构。这两个粒子的质量与强子谱合作组(Hadron Spectrum Collaboration)发表的格点量子色动力学预言结果高度吻合——该计算预言Ω-超子的两个量子数为JP=1/2-和JP=3/2-的激发态的质量分别约为2.0 GeV/c2和2.1 GeV/c2。

兰州大学稀有同位素前沿科学中心、核科学与技术学院的肖栋青年研究员与复旦大学现代物理研究所博士研究生王顺及其导师罗涛青年研究员是该研究工作的主要完成人。北京谱仪III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。

图2：Ω-激发态的示意图

该工作得到了国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心“十四五”国家重点研发计划“大科学装置前沿研究”重点专项“正负电子对撞机上的重子物理研究”项目 (2023YFA1609400) 的资助，也得到了国家自然科学基金委( 12105127) 和兰州大学等支持。