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自1974年发现J/Ψ以来,虽然我们已经对粲偶素在实验和理论方面都做了大量的研究,但是目前在粲偶素物理中仍然有许多值得研究的课题。粲偶素的强子衰变和相应谱形的研究是粲偶素物理一个非常重要的研究方向,对于检验量子色动力学(QCD)理论,寻找新的衰变模式和新的共振态粒子有着重要意义。本文工作主要研究xcJ和J/Ψ的强子衰变。粲偶素是由一对正反夸克(c(c))通过强相互作用结合在一起的束缚态,J/Ψ和xcJ是c(c)间轨道角动量L分别等于0和1的粲偶素。
北京正负电子对撞机(BEPCⅡ)运行在2.0~4.6 GeV能区,作为目前世界上唯一工作在τ-粲能区的加速器,BEPCⅡ自从2008年开始运行取数以来一直稳定、高效地工作。这个能区的物理主要致力于标准模型一些未解决的问题,集中在与QCD相关的部分。升级改造后的北京谱仪(BESⅢ)是运行在BEPCⅡ上的大型通用粒子探测器,其高精度的性能是与BEPCⅡ的高亮度相匹配的。由于xcJ在e+e-对撞中并不能直接产生,对xcJ衰变的研究一直受限于统计量。目前BESⅡ已经积累了大量的Ψ的数据,而通过其辐射衰变Ψ→γxcJ会产生大量的xcJ样本,这就为研究xcJ衰变提供了很好的平台。
利用BEPCⅡ/BESⅢ上收集到的106兆的Ψ的数据样本,我们研究了xcJ到末态p(n)π-+ c.c.和p(n)π-π0+c.c.的衰变过程,并精确测量了其分支比。在本文的测量结果中,xc0→p(n)π-和xc2→p(n)π-的衰变分支比的精度相比于PDG上的结果有了很大的改进,所有其他的衰变分支比都是在世界首次测量。这些测量结果将为我们更好地理解粲偶素xcJ的衰变机制提供更多的信息。另外,在xcJ衰变到p(n)π-+c.c.的末态不变质量谱M(pπ-(c.c.))和M(nπ+(c.c.))上,我们在大约1380MeV,1680 MeV和2200 MeV的地方发现了一些宽的共振态,我们猜测它们是核子激发态N*,然而更多细节研究需要用到分波振幅分析的办法。
J/Ψ衰变作为强子谱研究的一个很好的平台已经取得了丰硕的研究成果。我们利用北京谱仪Ⅲ上从2009年6月12号到7月28号收集到的225.3兆的J/Ψ数据样本,通过φ→K(0)S K(0)L和φ→K+K-两种衰变模式,研究了J/Ψ→φp(p)的衰变。我们既没有观察到p(p)的阈值增强,也没有在φp(p)的不变质量谱上观察到明显的结构。最终,我们在90%的置信度下设定了J/Ψ→φX(p(p))→φp(p)的上限,并精确测量了J/Ψ→φp(p)的分支比。