BES J/BES J/ 物理物理BES J/BES J/ 物理物理

沈肖雁 中科院高能物理研究所

高能物理 又称粒子物理， 是研究物质的基本组元和它们之间相互作用规律的一门科学。

高能物理研究的内容涉及到更基本的物质结构以及相互作用规律，因而在人们认识世界和改造世界过程中起到很大作用。

始终处于科学的前沿。 总结出的“标准模型”是物理的基础。 把人们的认识水平推进到 10-19米。

Introduction

高能加速器和探测器的应用非常广泛和深远。

几十年来高能物理对科学做出了重大贡献。

从 1901 年颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，其中有四十多位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支。

Introduction

高能物理简介高能物理简介目标：探索物质的基本组元和它们之间相互作用规 律。（宇观、宏观、介观、微观）成果：

1. 建立了夸克模型

2. 夸克是参与强相互作用粒子的基本组元，三代、六种。轻子也是物质的基本组元，也有三代，六种。

3. 建立了电磁力 — 弱力统一理论和量子色动力学（ QCD ），再加上夸克模型构成了描述物质相互作用基本规律的理论 — 标准模型。

4. 发展了高能加速器和探测器技术，并得到了广泛应用。

夸克模型和三代轻子夸克模型和三代轻子

三代夸克 :

三代轻子：

传播子： （电磁力） （弱力） （强

力） 夸克模型很成功， 1974 年 c 夸克、 1976 年 b夸克发现了， 1995 年 t 夸克也找到了， 2000 年找到的实验证据。夸克模型能很好描述强子结构。中微子宽度测量的实验，支持轻子（从而夸克）只有三代，与宇宙学的预言相符合。

d

u

s

c

b

t

ee

0,ZW g

四种相互作用四种相互作用力的类型 引力 弱力 电磁力 强力或核力

发生作用的距离

延伸到非常大的距离

约小于 10-17

厘米延伸到非常大的距离

约小于 10-1

3 厘米力的强度 10-38 10-13 10-2 1

传递此力的粒子

没有发现 中间玻色子W+ ， W- 和

Z0

光子（） 胶子（ g ）

粒子的质量

不知道 约 90 GeV 0 假定为 0

电磁—弱电统一理论电磁—弱电统一理论20 世纪 60 年代，发现了电磁作用与弱作用有

某种对称性。当引入一种对称自发破缺— Higgs 机制后，建立起电弱统一理论，用规范群 SU(2) ×U(1) 描述，使弱作用传播子中间玻色子带有较大的质量。 80年代，中间玻色子被发现。但迄今为止尚未发现 Higgs 粒子。（这种对称自发破缺机制可能是导致粒子质量的原因）

按大爆炸模型，在大爆炸之初，四种相互作用是统一的，冷却后，逐步分离为四种相互作用。

电弱强统一理论受到实验检验。

量子色动力学量子色动力学 (QCD)(QCD)描述强相互作用的理论。强子（参与强相互作用的粒子）由夸克组成。

夸克与胶子是有颜色的（色荷）。“夸克渐进自由”为理论基础。用 SU(3) ×SU(2) ×U(1) 规范群描述很好解释夸克囚禁，强子喷注等实验现象

广义相对论描述引力

高能加速器和探测器高能加速器和探测器—高能物理研究的基本工具—高能物理研究的基本工具

1) 必要性： 探索尺度越小，越需要高能加速器。（波长与能量

成反比） 产生新重粒子，需要更高能加速器。（ E＝Mc2） 模拟大爆炸瞬间的粒子状态，需要高能重离子对撞

机，以产生极高的温度。2) 加速器类型：

一般加速器：加速单束带电粒子。 对撞机：两带电粒子束相撞，获得更高的加速效率。

分类 e+e-， ep ， pp ， ，重离子—重离子。pp

高能物理成果高能物理成果 t 夸克，中微子的发现，使三代夸克、轻子模型更完美。 标准模型很成功的解释各种复杂的高能现象和规律。电—

弱统一理论预言的中间玻色子 W±和 Z0都发现了。三喷注的发现给出了胶子存在的证据， QCD 很好描述喷注现象以及其它强相互作用现象。

深刻地了解对称性规律，发现在弱作用下，宇称（ P ）对称性以及粒子—反粒子变换联合反演（ CP ）破坏，并寻找 b 夸克衰变中的 CP 破坏。到 2001 年 7月， BaBar 和Belle 已观察到 b 的 cp 破坏。

Super—kamiokande ， k2k ， SNO ， KamLAND等实验： 大气中微子 短缺以及太阳中微子短缺都是由于中微子振荡的结果， ， e 。中微子有质量，但很小， me<0.24ev ， m m <0.24ev 。中微子的发现被授予2002 年诺贝尔物理奖。

尚待解决的问题尚待解决的问题 Higgs 是否存在？ (LHC) 超对称粒子（ *注）是否存在？ 胶子球存在的证据，四夸克态、五夸克态、六夸克态和奇特态的寻找。 暗物质粒子的探测（ WIMP 粒子的寻找） CP 破坏的本质是什么？ 粒子为什么有质量？（从 1eV 到 176GeV ） 夸克、轻子是基本组元吗？ 夸克、轻子只有三代吗？ 中微子振荡的存在说明中微子有质量，在标准模型框架中不能解释。 夸克、胶子等离子体是否存在？（期待 RHIC 上发现） 为什么宇宙中物质—反物质是不对称的？ 反物质的寻找（ AMS ） 是否存在标准模型之外的模型？

（标准模型远不能说完备，它有 17个参数之多）*注：超对称粒子是指夸克、轻子自旋为整数，传播子自旋为半整数。

Recent Results from BES J/ Decays

Xiaoyan SHENRepresenting BES Collaboration

Institute of High Energy Physics (IHEP)CAS, Beijing, P.R.China

shenxy@ihep.ac.cn

Outline Introduction Study of and Precise measurement of Study of Measurement of Study of the excited baryon states -- N* in the decay of

-- N* and * in the decay of Summary

ppJ /

npJ / pKJ /

0/ J

),(/ VVJ

The Beijing Electron Positron Collider The Beijing Electron Positron Collider

BESII Detector

VC: xy = 100 m TOF: T = 180 ps counter: r= 3 cm MDC: xy = 220 m BSC: E/E= 22 % z = 5.5 cm dE/dx= 8.5 % = 7.9 mr B field: 0.4 T p/p=1.7(1+p2) z = 2.3 cm

探测器探测器以 BES （北京谱仪）为例说明探测器和工作原理

顶点探测器（ VC ） 顶点主漂移室（ MDC ） p ， dE/dx飞行时间（ TOF ） t （→ v ）簇射（ BSC ） 测 e ，能量 计数器 测径迹， p

总的给出粒子的各种参数，得到： m JPC IG

（质量） （宽度） （自旋—宇称）及有关的物理量。

USA (4)

University of HawaiiUniversity of Texas at Dallas

Colorado State University Stanford Linear Accelerator Center

Korea (4)

Korea University Seoul National University

Chonbuk National UniversityGyeongsang Nat. Univ.

Japan (5)

Nikow UniversityTokyo Institute of Technology

Miyazaki UniversityKEK

U. Tokyo

UK (1)Queen Mary University

China (18)高能所；中国科学技术大学；

山东大学；浙江大学； 华中师范大学；上海交通大学；

北京大学；高等科学技术中心； 武汉大学；南开大学；河南师范大学；湖南大学；清华大学；辽宁大学； 四川大学，南京师范大学；广西大学；广西师范大学；

Data Collected with BESI and BESII

Ecm (GeV)

Physics BES Data Other Lab.

3.10 J/ 7.8106 8.6106

3.69 (2S) 3.9106 1.8106

4.03 1.0105 LEP

4.03 DS, D 22.3 pb-1 CLEO

3.55 m scan m 5 pb-1

2-5 R scan R value,

QED, (g-2) 6+85 points 2, MarkI

Crystal Ball Pluto……

3.1 3.69 3.78

J/ (2S) (3770)

5.8107

1.46107

~7 pb-1

BEPC/BESBEPC/BES

BEPC 能量虽不高，但涉及到粲（ c ）夸克和轻子能量范围，有很多有意义的物理课题。因此，十年来，在 BES 上做出了许多国际上关注的成果，如：

轻子质量的精确测量 R值的精确测量 胶球候选者研究的一些结果 J/， ’， D 和 Ds 物理 新粒子态的发现… … ppJ /

J/ data samples

0

10

20

30

40

50

60

CBAL MK II MK III DM2 BES I BES II

BESII 58M

J/ events

BESI 7.8M J/ events

DM2 8.6M J/ events

MKIII 5.6MJ/ events

MKII 5.6MJ/ events

CBAL 2.2MJ/ events

Introduction to J/ Physics

3-gluon Electromagnetic Radiative Via c

a good lab for studying hadron spectroscopy a good lab for excited baryon states hunting for glueballs in J/ radiative decays

in J/

Theory: scattering Chiral perturbation theory

Experiments: scattering exps. DM2 J/

E791 D+ +-+

BESII 58M J/

Fit to the J/→+

f0 contribution f2 contribution

b1(1235)

preliminary

in J/ K*K and K+K-Before K*(892) 0 cut

After K*(892) 0 cut

Observation of a enhancement near threshold in at BESII

(based on 5.8 107 J/)

pp pp/J

pp mass for selected events _

pp/J )/58( JM

Besides peak, there is a clear enhancement near threshold.

c

Final fit

M=1859 MeV/c2

< 30 MeV/c2 (90% CL)

J/pp

M(pp)-2mp (GeV)

0 0.1 0.2 0.3

3-body phase spaceacceptance

2/dof=56/56

fitted peak location

acceptance weighted BW +3 +5

10 25

NN bound state (baryonium)??

+ n +

deuteron:

loosely bound 3-q 3-

q color singlets with Md = 2mp-

baryonium:

loosely bound

3-q 3-q color singlets with Mb = 2mp-

?

attractive nuclear force attractive force??

There is lots & lots of literature about this possibility

PWA of and

is a very important channel to investigate the

KK /J 0S

0SKK

KK/J )1710(0f

/JM58 /JM58

Global fit and bin-by-bin fit are performed

Results of

Clear signal.Evidence of .0++ is dominant in 1.7GeV mass region Masses and Widths (statistical errors only):

)1525('2f

MeV84MeV,61518:)1525(f 2824

'2

M

)1270(2f

KK/J

MeV163MeV,1703:)1710(f 2722

8100

M

Precise measurement of J/

The angular distribution of two baryon final

states can be written as

Where is the angle between the baryon direction and

the positron beam direction

Theoretical models from first order QCD give

various value predictions.

pp

BB

d

dN 2cos1cos

B

BES measurement on J/

Br=(2.26 ±0.01 ±0.12) ×10-3

=0.676±0.036±0.027 , agrees with theo3

sys. error

sys. error

pp

Study of J/V (V=,)

o Theoretical prediction for (1440)

state : =9 : 2

Pure glueball: : =1 : 1

o MARKIII Results (1440) →

Mass= 1432 ± 8MeV

= 90 ± 26 MeV

B(J/ → ) ×B( → )

=(0.64±0.12±0.07)×10-4

(1440) →

B(J/ → ) ×B( → )

< 1.6×10-4 (90% C.L.)

qq

BES results on (preliminary) /J ’ f1(1285) (1440)

BCK from J/→0,

B(J/X)=(0.310.30)10-

4

B(J/X)<0.8210-4

95% C.L.

BES results on (preliminary) /J

After BCK subtraction

48.4847.14 events

Measurement of J/→ +-0 (preliminary)

Absolute Measurement from BESII 58M J/ Decays

0S

B(J/ →+-0) =(21.350.041.85)10-

3

00

+-

-+

+0

Systematic errors include: BG from continuous energy region(1%), reconstruction of each charged track(2%), photon detection(2%), 5C kinematic fit(2.9%), further criteria(1%), MC model uncertainty(3%), BG uncertainty(1%) and J/ total number(5%) TOTAL 8.7%

m+0

m+-

m-0

Relative Measurement from 14M (2S) Decays

BESII 14M (2S) :

B(J/→+- 0)=(20.90.21.1)10-3

(preliminary)

Similar cuts are used for process I and II , many systematic errors can be cancelled.

PDG: (15.0 2.0) 10-3 inconsistent !

Study of Excited Baryon States

Probe the internal structure of light quark baryons Search for missing baryons predicted by quark model Obtain a better understanding of the strong interaction fo

rce in the non-perturbative regime Jefferson Lab. electro&photo-production exps. CB-ELSA facility at Bonn University SPRING8 in Japan GRAAL at Grenoble of France started exps

J/ decays

processes branching ratios(10-

3)N* decays

2.00.1

6.00.5

2.00.1

2.10.2

0.90.4

1.30.3

0/ ppJ ppJ /

relatively large branching ratios (PDG2002) (58M J/)

npJ / ppJ /

'/ ppJ ppJ /

NN *

NN *NN *

NN *NN '* NN *

Pure isospin 1/2

Feynman diagram of the production of

For and , N and N systems are limited to be pure iso

spin 1/2.

**,*,*, Np

/J NN /J NN

N* in /J p n

N*(1440)

N*(1520)

N*(1535)N*(1650)

N*(1675)

N*(1680)

?

• Estimate the BG from the fitting of the data.

• The Monte Carlo of J/ inclusive decay is also used in the background analysis.

• Background < 8%.

BG estimation

Fitting formula

k : momentum of q : proton momentum in Mx frame

2 1

2 2 2 20 0 0( )

lq k

M M M

n

►Possible new N* resonance (preliminary)

► Detailed information needs PWA

+15 2 2-30M = 2065 3 MeV/c =175 12 40MeV/c

N* in /J p n

from BESII data

Two clear peaks at 1520, 1690 MeV/c2 in pK mass N* in K mass PWA is being performed

)(GeV/M 2pK c )(GeV/M 2

KΛ c

N*(1650)

pKJ /

Summary

Based on BESII 58M J/ (preliminary)

is clearly seen in J/. The pole position of is determined.

is studied in J/ K*K and K+K-. The pole position of is determined.

Br.(J/ )= (2.26 ±0.01 ±0.12) ×10-3

= 0.676±0.036±0.027

pp

J/(1440), is observed, but no clear signal

Br(J/ →+- 0)=(21.01.1)10-3

A possible “missing” N* is found in

PWA to BESII 58M data is in progress

In , two peaks around 1520 and 1690 MeV in pK mass are clearly seen.

+15 2 2-30M = 2065 3 MeV/c =175 12 40MeV/c

/J p n /J

pKJ /

高能物理展望高能物理展望为了解决上述问题，高能物理学家正在建造一

台大型强子对撞机（ LHC ）及探测器，估计在 2005年完成（～ $20亿美元）。目标是寻找 Higgs 粒子和超对称粒子及高能物理的新现象和新规律

计划建造： 直线对撞机 e +e –

储存环 更高能量的强子对撞机（ VLHC ） 对撞机

大型非加速器物理装置探测中微子振荡寻找暗物质

BEPCII/BESIII 项目• 6.4 亿人民币。国家已批准该项目。 预计从 2007年底开始运行取数。

• 加速器双环方案，亮度～ 1033。

• 新的北京谱仪 （超导磁铁， CsI 晶体量能器，新 TOF, 新 MDC ….）

BEPCII/BESIII 的物理目标 寻找胶子球、混杂态、多夸克态等。 精确测量 J/、 、 (3770) 衰变 精密测量 CKM 矩阵 强衰变 (VP, VT, TP, VS…) 和 辐射衰变 系统研究轻强子谱 重子激发态研究 D 介子物理 : D 和 Ds 分支比和衰变产物

• fD 和 fDs 的测量 检验 VDM, NRQCD, PQCD, 研究 疑难

BEPCII/BESIII 的物理目标（续） 强子产生机制，低能 QCD ：

• R 值精确测量

物理：带电流，测量 m 和 m

寻找新粒子 : 1P1、 c、胶球、夸克胶子混杂态、奇异态…

探索新物理现象 : • 寻找稀有衰变 ;• 轻子数不守恒现象 ; • J/ 和 衰变中的 CP 破坏

总结总结高能物理在半个世纪中获得了重大发展，建立高能物理在半个世纪中获得了重大发展，建立

了标准模型，对基本粒子的性质、相互作用规了标准模型，对基本粒子的性质、相互作用规律有了更进一步了解。律有了更进一步了解。

高能物理还存在许多尚未解决的问题，需要进高能物理还存在许多尚未解决的问题，需要进一步发展。一步发展。

中国高能物理已有自己的实验基地—中国高能物理已有自己的实验基地— BEPC/BBEPC/BESES ，并在其上做出了重要成果。目前其改进，并在其上做出了重要成果。目前其改进计划已获得批准，正在积极的实施。计划已获得批准，正在积极的实施。

欢迎有志于高能物理事业的同学来我欢迎有志于高能物理事业的同学来我所攻读博士、硕士学位；同时也欢迎所攻读博士、硕士学位；同时也欢迎毕业后来我所工作，参加到高能物理毕业后来我所工作，参加到高能物理研究行列。研究行列。