近日，我校物理与电子学院张杰磊课题组基于北京谱仪III（BESIII）实验采集的100亿J/y实验数据，关于超子-核子反应过程Ξ0n→Ξ-p的研究成果发表在物理学顶级学术期刊《物理评论快报》杂志[Physical Review Letters 130, 251902 (2023)]。这是首次在正负电子对撞机上研究超子-核子相互作用，为此类研究开辟了一个新的方向。
高能粒子束流轰击靶材料的散射实验对于研究物质的内部结构和基本相互作用具有重要意义，像π±和K±这样的带电长寿命粒子束流在实验上很容易被产生和控制，研究人员利用这些束流已经取得一系列的科学突破，相关研究成果非常丰富。但是，对于一些含有奇异夸克的超子束流，受限于实验上产量低并且其寿命短暂，导致相应的研究进展非常缓慢，而这些超子束流轰击靶材料的测量对于理解非微扰量子色动力学至关重要。此外，超子-核子反应也可以用来寻找理论预测的H-双重子态，它具有-2的奇异数和uuddss的价夸克组分，并且超子-核子相互作用的研究对于确定致密核物质的状态方程和理解中子星内部是否存在超子（“超子疑难”问题）也非常重要。
在本项工作中，张杰磊与合作者使用一种全新的方法研究超子-核子相互作用，将北京正负电子对撞机上BESIII探测器收集的100亿J/ψ事例衰变产生的大量超子作为超子源，并且将束流管作为反应的靶材料（如图1）。利用J/ψ→Ξ0Ξ0-bar产生的大量Ξ0超子源，首次观测到约20个信号事例的反应过程Ξ0n→Ξ-p（如图2）。在Ξ0入射动量为0.818 GeV/c处，反应Ξ0+9Be→Ξ-+p+8Be的截面被决定为(22.1±5.3stat±4.5syst) mb，如果将9Be原子核中反应中子的有效数目取为3，则反应过程Ξ0n→Ξ-p的截面被决定为(7.4±1.8stat±1.5syst) mb，这与理论预测一致。此外，在此反应过程的Ξ-p末态中没有观测到任何显著的H-双重子态信号。基于这种全新的方法，其它超子如Λ和Σ与核子的相互作用也可以进行研究。在未来超级陶-粲装置获取更大数据样本的情况下，基于J/ψ多体衰变或其它粲偶素衰变产生的超子源研究反应截面随入射粒子动量变化的分布，将为相关理论研究提供更多的实验依据。
图1束流管的具体组成结构示意图(单位：厘米）
图2数据中M(Λπ-)的分布，可见显著的Ξ-信号
根据国际大型实验合作组文章作者署名惯例，文章作者按合作组成员姓氏首字母顺序排列，根据合作组文章贡献认定规则，我校张杰磊为该文章的实际第一作者和通讯作者，文章的主要贡献者还包括中国科学院高能物理研究所的张剑宇博士和李海波研究员。本项研究工作受到了国家自然科学基金委和河南大学的支持。
文章链接：
PRL文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.251902
arXiv链接：https://arxiv.org/abs/2304.13921
