北京谱仪Ⅲ实验发现质子-反质子束缚态存在的新证据

 近日，北京谱仪Ⅲ实验发现了一个质量为1882 MeV的共振结构X（1880），很可能为质子-反质子束缚态，该研究成果于2024年4月9日发表在《物理评论快报》上（Phys.Rev.Lett. 132,151901 (2024)），被选为亮点论文，同时被美国物理学会以“Evidence of a new subatomic particle（一个新亚原子粒子的证据）”为标题作新闻报道。  

质子是构成原子核的基本粒子之一，而反质子则是质子的反物质对称粒子，具有和质子相同的质量但带有相反的电荷。当质子和反质子相遇时，它们会相互湮灭，释放出巨大的能量。然而，一些理论预测质子和反质子也可以通过强相互作用力结合形成一种寿命极短的状态，称为质子-反质子束缚态。寻找这样的新型强子态是高能物理实验的重要目标之一。 

2013年，北京谱仪Ⅲ实验在研究J/ψ粒子衰变成一个光子和3对正负π介子的过程时，首次在该过程中发现了新共振结构X(1840)，其质量恰好位于质子-反质子质量阈值附近，但略低于该阈值。对该共振结构的深入研究对理解其性质至关重要。 

当前，北京谱仪III实验已经采集100亿 J/ψ衰变事例，其统计量是之前研究使用数据样本的50倍，为进一步开展相关研究奠定了坚实基础。利用这批数据，在3(π+π-)质量谱上首次观测到了一种反常结构。该结构由两个共振结构叠加形成，除2013年发现的X(1840)之外，还存在一个新的共振结构，被命名为X(1880)，其质量和宽度分别为1882.1±1.7±0.7 MeV和30.7±5.5±2.4 MeV，统计显著性大于10倍标准偏差。这个新共振结构的质量恰好比一个质子和一个反质子之和略重一点，其性质很像是质子-反质子束缚态，为质子-反质子束缚态的存在提供了新的实验依据。 
该成果主要由中国科学院高能物理研究所房双世研究员、博士研究生陈通和广西师范大学秦丽清副教授等北京谱仪Ⅲ合作组成员共同完成。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。

 
核子-反核子束缚态示意图 

延伸阅读： 
Phys. Rev. Lett.文章： 
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.151901 

美国物理学会报道： 
https://physics.aps.org/articles/v17/s37 

北京正负电子对撞机提供