BESIII上电磁Dalitz衰变过程J/ψ -> e+e-X(1835)的实验研究

The BESIII experiment is an ideal place to search for and study new forms of light hadrons. An anomalously strong enhancement at the proton-antiproton(ppbar) mass threshold, dubbed X(ppbar), and another state X(1835) were first observed by BESII in J/ψ radiative decays. These two states were confirmed by the upgraded BESIII experiment through the same decay processes. The BESIII results indicate that these two states have overlapped masses and the same 0^{-+} quantum number, but we still know very few about their internal structures and properties, and also the connections between them. We need more inputs from theory and experiment researches, in order to determine whether X(1835) and X(ppbar) are the same state and whether X(1835) is a ppbar bound state, or glueball candidate, or other physics structures. Further more, the electromagnetic Dalitz decay of J/ψ meson, i.e., J/ψ->P l+l- (l=e,mu, P is pseudo-scalar particle), are the golden processes to study J/ψ production mechanism and its internal structure. Based on the total 1.31 billion J/ψ data sample, we first observe the J/ψ->e+e-X(1835) decay, from which we will study the property and structure of X(1835) and explore the connection between X(1835) and X(ppbar); we will also first determine the transition form factor of this process, and test the predictions of the Standard Model.

北京谱仪实验是寻找和研究新型轻强子态的理想场所。BESII首次发现了质子-反质子阈值附近的反常增强结构X(ppbar)和新共振态X(1835)，BESIII对这两个态进行了确认。实验结果表明这两个态不但有着相近的质量，而且具有相同的自旋宇称内禀属性，然而对其内部结构以及其之间关系所知很为有限，因而需要通过理论和实验方面更多的研究来确定X(1835)和X(ppbar)是否为同一个态，以及X(1835)究竟是ppbar束缚态，还是胶球候选者，亦或是其他的结构。另外，研究J/ψ介子的电磁Dalitz衰变是理解其形成机制和内部结构的黄金过程。本项目利用BESIII采集的世界上最大统计量的13.1亿J/ψ数据样本，首次在实验上观测到电磁Dalitz衰变过程J/ψ->eeX(1835)，并通过该过程探寻X(1835)粒子和X(ppbar)的内在关联；还将首次在实验上测量该过程的跃迁形状因子。

北京谱仪实验是寻找和研究新型轻强子态的理想场所。BESII首次发现了质子-反质子阈值附近的反常增强结构X(ppbar)和新共振态X(1835)，BESIII对这两个态进行了确认。实验结果表明这两个态不但有着相近的质量，而且具有相同的自旋宇称内禀属性，然而对其内部结构以及其之间关系所知很为有限，因而需要理论和实验方面更多的研究。. 本项目利用BESIII采集的世界上最大统计量的100亿J/ψ数据样本，首次在实验上观测到电磁Dalitz衰变过程J/ψ→eeX(1835)， 统计显著性达到了15倍标准偏差；还观测到了另外两个过程：J/ψ→eeX(2120)和J/ψ→eeX(2370)，统计显著性均超过5倍标准偏差。我们测量了J/ψ→eeX, X→pi pi eta'衰变过程的分支比。更重要的是，我们首次测量了衰变过程J/ψ→eeX(1835)对应的q^2依赖的跃迁形状因子。该跃迁形状因子的测量结果表明：在q^2较大的区域，我们不能把X(1835)看作是点粒子，这为我们研究X(1835)的内部结构提供了重要信息。该物理分析文章已经完成合作组内部的审核, 并投递到PRL，arXiv编号为：arXiv:2112.14369，预计2022年正式发表。. 受益于本项目的支持，我们还完成了以下BESIII实验相关的工作：(1) 超子半轻衰变过程Lambda→p mu- nv_mu-bar的首次绝对分支比测量，该结果发表在PRL 127, 121802 (2021)； (2) 首次观测到双Cabibbo压低的衰变过程 D+→K+pi+pi-pi0，该结果发表在PRL 125, 141802 (2020)； (3) 通过tau+→e+ nv_e nv_tau-bar重建tau+来测量Ds+→tau+ nv_tau的绝对分支比，该结果发表在PRL 127, 171801 (2021)；(4) 通过tau+→pi+ pi0 nv_tau-bar重建tau+来测量纯轻子衰变过程Ds+→tau+ nv_tau的分支比，该结果发表在PRD 104.032001 (2021)；(5) 观测到ChicJ→phi phi η衰变过程，该结果发表在PRD 101, 012012 (2020)；(6) Xi_c0衰变中的极化，文章发表在CPC 44, 013002 (2020)。