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2023年 35卷 4期 刊出日期 2023-08-25
北京谱仪III合作组发表500篇论文专题
物理知识
中学园地
北京谱仪III合作组发表500篇论文专题
3 北京谱仪III合作组发表500篇论文
李海波
时光荏苒，北京谱仪作为我国第一个大科学装置，从第一代探测器到第三代探测器已经过去了30多年。BESIII国际合作组现在已经发展成由来自17个国家84个研究单位近600名研究人员组成的大型实验团队。得益于BEPCII加速器的高质量运行和BESIII探测器的优良设计，BESIII国际合作组在2023年5月9日投稿了第500篇论文，这标志着BESIII实验完成了一个新的里程碑。BESIII取得了一系列具有国际影响力的重大成果，包括类粲偶素奇特强子态的发现，其中四夸克粒子Zc (3900)和Zc (4020)的发现引起了极大的国际关注，在美国"Physics"杂志公布的2013年物理学领域十一项重要成果中位列榜首，被Nature杂志誉为"打开宇宙物质新结构的四重奏"。近年来BESIII实验先后发现了Zcs (3985)和Y (4500)等新的类粲偶素粒子，其中Zcs (3985)是首个含奇异夸克的类粲偶素奇特态，被Physics Review Letters选为当期"特色物理"，并在美国物理学会网站推广报道。2022年，BESIII实验又发现了奇特量子态η1(1855)，这是首个含有胶子自由度的同位旋标量态。这一系列发现正在揭示新的强子谱学的出现。同时，BESIII实验在重子和粲强子的产生和衰变研究领域发表了系列重大成果，中子电磁结构精确测量和阈值附近阻尼振荡反常行为被Nature Physics作为封面文章发表;正反超子的极化和电荷共轭-宇称变换不对称性检验等创新实验结果发表在Nature上;BESIII在粲介子和粲重子衰变精细测量以及中性粲介子强相角测量是国际重味物理领域重要的组成部分，特别是对粲介子衰变常数和半轻衰变形状因子的精确测量，为检验格点量子色动力学(LQCD)理论计算提供了重要的实验依据，引起了国际上重味物理和LQCD专家的持续关注，为低能区标准模型的精确检验提供了至关重要的实验支持。
2023 Vol. 35 (4): 3-3 [摘要] ( 179 ) [HTML 1KB] [PDF 905KB] ( 54 )
4 北京谱仪III上轻介子衰变研究 Hot!
房双世
轻介子是指由轻夸克组成的强子，它们在粒子物理学的发展中扮演着重要角色。自20世纪30年代发现π介子之后，随着探测技术的不断进步，实验上陆续发现不同种类的轻介子，同时对轻介子的研究也不断深化。尤其是在20世纪70年代，利用高能粒子加速器和粒子探测器，实验上对轻介子(特别是针对π介子和K介子)的衰变模式、产生机制以及与其他粒子的相互作用进行了深入研究，并在实验研究和理论探索中取得许多重要的成果。特别是K介子中CP破坏效应的发现、奇异自由度的引入和带电π的弱衰变研究等，不仅深化了对物质的微观结构和相互作用的认识，还推动了夸克模型及标准模型的建立。特别是夸克模型诞生，使得我们对强子的内部结构有了深入的认识，认为轻介子是由一个轻夸克和一个反轻夸克组成的束缚态，并且根据SU (3)群的对称性，比较自然地把轻介子归类到不同的家族。如图1所示，π介子和K介子就属于基态赝标量介子成员。
2023 Vol. 35 (4): 4-7 [摘要] ( 252 ) [HTML 1KB] [PDF 2463KB] ( 402 )
8 发现“四夸克物质”Zc(3900) Hot!
郭玉萍
在这缤纷多彩的世界中，物质以各种状态和形态呈现。描述物质基本结构和基本相互作用的理论称为标准模型。标准模型中，物质是由六种夸克和六种轻子通过四种相互作用构成的，这是我们当前对物质结构的基本认知。
2023 Vol. 35 (4): 8-11 [摘要] ( 272 ) [HTML 1KB] [PDF 2637KB] ( 364 )
12 轻强子谱学 Hot!
刘北江
宇宙可见物质主要是星系、天体，它们主要由质子和中子构成；而质子和中子的质量的95%以上来自强相互作用。然而强相互作用的低能行为至今没有完全被理解。将近半个世纪以来，量子色动力学(QCD)被认为是描述强相互作用的基本理论，但其在低能区域具有非微扰性质和色禁闭机制(即实验上只能直接观测到色中性的强子，而不是孤立的夸克和胶子)，对QCD理论的研究仍然存在巨大挑战。由于色禁闭，人们需要理解强子谱，然后才能深入理解如何从QCD基本理论衍生出强子结构与强相互作用的复杂现象。
2023 Vol. 35 (4): 12-14 [摘要] ( 228 ) [HTML 1KB] [PDF 2323KB] ( 415 )
15 北京正负电子对撞机上开展含粲夸克的重子研究
吕晓睿
对于物质基本构成问题的研究历史可以追溯到两千多年前，时至今日，普遍接受的理论为粒子物理标准模型。现代粒子物理标准模型将我们周围的物质构成用17种基本粒子，及它们之间的三种相互作用力：强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用来描述。在这些基本粒子之中，夸克是组成我们周围物质的基本单元。比如大家最熟悉的质子是由2个上夸克(u)和1个下夸克(d)组成的，这些夸克通过强相互作用束缚在一起。标准模型中共有6种夸克，其中每两种为一代，共有三代，上夸克和下夸克属于第一代。粲夸克(c)和奇异夸克(s)属于第二代。第三代夸克为顶夸克(t)和底夸克(b)。由三个夸克组成的粒子称为重子，而仅包含前两代夸克的重子中，如果至少有一个粲夸克，则称为粲重子。
2023 Vol. 35 (4): 15-19 [摘要] ( 275 ) [HTML 1KB] [PDF 3893KB] ( 52 )
20 北京谱仪III实验上的粲介子物理
马海龙
当前，描述自然界物质微观基本结构的最成功、最基本的理论是粒子物理的标准模型。该模型认为：自然界中的物质由三代夸克和三代轻子构成，四种基本相互作用中的电磁作用和弱作用能够用电弱统一理论描述，而强作用能够用量子色动力学理论描述。尽管标准模型在描述基本粒子及其相互作用方面取得了巨大成功，但在解释暗物质、暗能量和质量起源，以及强相互作用的非微扰性质理论描述等方面仍存在诸多问题。系统地研究各类强子衰变，精确检验标准模型、寻找超出标准模型的新物理是围绕上述问题开展的前沿课题。以下简要介绍基于我国大科学实验装置北京正负电子对撞机II上的北京谱仪III实验上的粲介子物理研究。
2023 Vol. 35 (4): 20-24 [摘要] ( 196 ) [HTML 1KB] [PDF 2717KB] ( 9 )
25 北京谱仪新物理研究亮点
王大勇
值此北京谱仪BESIII实验发表500篇科学论文之际，本文尝试介绍BESIII在寻找超出标准模型新物理课题上的一些亮点工作。图1展示了粒子物理的标准模型中物质的基本组分粒子和传递基本相互作用的媒介粒子。BESIII实验工作的能量区间是2~5 GeV，主要是用来研究其中的粲夸克和τ轻子的性质，因而称之为陶-粲能区。由于工作在这样一个有非常丰富物理潜力的陶-粲能区，BESIII可研究的课题非常广泛。这个能区有丰富的共振态，包括粲偶素和粲强子，特别是该能区存在众多的阈值结构，包括D介子、Ds介子、粲重子和τ轻子等，都可以成对产生，利用这个特点可以开展其他能量区间无法进行的特色研究。这个能区也是微扰和非微扰量子色动力学（QCD）的过渡区域，具有研究QCD强相互作用的独特能力。我们还可以寻找奇特强子态，包括胶球、混杂态、多夸克态等。由于BESIII采集了大量的数据，有非常好的探测器性能和数据质量，我们可以用它来寻找新物理。
2023 Vol. 35 (4): 25-29 [摘要] ( 171 ) [HTML 1KB] [PDF 6703KB] ( 11 )
30 当比原子还小的东西裂开时——BESIII上粲偶素衰变研究
朱凯
导言：原子的古希腊原义是“不可分割的”，被公元前五世纪的哲学家德谟克利特视为构成世界的基本单元。从某种程度上来说，这种看法有相当大的合理性。因为原子非常非常非常小——典型的原子半径约为纳米级(10-9米)。一个原子与一个乒乓球之间的体积比，大致相当于一颗篮球与地球之间的体积比。但是，我们这篇文章的主角们比最小的原子还要小上8亿亿倍！它们叫粲偶素，是一种在自然界中并不存在的粒子——仅在物理学家的高能实验中才能产生。我将讲述它们在北京谱仪III (英文缩写为BESIII)这个大舞台上华丽现身与变身的故事。
2023 Vol. 35 (4): 30-34 [摘要] ( 187 ) [HTML 1KB] [PDF 6029KB] ( 20 )
35 北京谱仪BESIII上的τ轻子与量子色动力学实验研究
周小蓉
BEPCII/BESIII自投入运行以来，取得了一系列成果，截至2023年5月已发表学术论文500篇。BESIII物理研究分为五个方面，本文介绍其中的τ轻子及量子色动力学实验研究(τ-QCD)，主要内容包括tau轻子相关物理研究、低能非微扰能区强相互作用性质研究、强子产生截面精确测量、强子内部结构探索、低能区新强子态寻找等。
2023 Vol. 35 (4): 35-42 [摘要] ( 186 ) [HTML 1KB] [PDF 5794KB] ( 17 )
物理知识
43 立方星与高能天文观测 Hot!
唐睿婧
1957年10月4日，苏联发射了世界上第一颗人造卫星，标志着人类迈入了一个崭新的时代——太空时代。就天文学而言，太空时代依托卫星等空间平台开展的天文观测突破了地球大气的限制，拓展了可供观测的电磁波段，开启了宇宙X射线等高能天文观测研究的新窗口，带来了诸多重要的新发现。
2023 Vol. 35 (4): 43-50 [摘要] ( 258 ) [HTML 1KB] [PDF 11930KB] ( 451 )
51 原子核从何而来
靳根明
原子核是由质子和中子组成的。由确定的中子数和质子数构成的原子核被称为核素。目前实验上发现了3450多种不同的核素。每种核素都有自己的寿命。这些核素中，稳定的和至今没有观察到衰变的核素只有254种，另外有34种核素，其寿命比地球的年龄还长。它们在核素图上的位置——即β稳定线，位于狭长区域的中央。除这些核素外，其他核素寿命都比较短，统称放射性核素，位于β稳定线的两侧。离稳定线越远，核素的寿命越短，甚至即生即死。人们不禁要问，这3450多种核素是从何而来？这是一个较为复杂的问题，简单来说：核素有两种来源，即在宇宙演化中产生和实验室中人工合成。
2023 Vol. 35 (4): 51-61 [摘要] ( 221 ) [HTML 1KB] [PDF 24722KB] ( 79 )
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62 悬臂梁的弹性——2021年亚洲物理奥林匹克竞赛实验第一题
张文理, 宋峰
悬臂梁是常见的机械结构之一(见图1)，在结构设计中它被用作抗剪切弯曲的主要结构，同时在纳米工程领域也有广泛应用。分析纳米悬臂梁的弹性响应以及阐明应力和应变之间的关系在应用物理学中具有重要意义。然而，对纳米材料的机械性能进行直接测量是相当困难的，与宏观单轴拉伸测量不同，只能采用压痕测试方法。通过对纳米悬臂梁施加力，使用原子力显微镜或者纳米压痕仪观察纳米悬臂梁的弯曲变形，以推导出其杨氏模量，成为在微观尺度上测量材料力学性能的重要方法之一。
2023 Vol. 35 (4): 62-68 [摘要] ( 239 ) [HTML 1KB] [PDF 6327KB] ( 19 )
69 磁悬浮——2021年亚洲物理奥赛理论第三题解答
张康, 宋峰
A部分：磁单极子的突然出现：薄膜中的初始响应和随后的时间演变
2023 Vol. 35 (4): 69-72 [摘要] ( 196 ) [HTML 1KB] [PDF 1246KB] ( 22 )
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