近日，徐新平教授课题组在粲介子半轻衰变的实验研究中再次取得重要进展，研究成果以“Observation of D⁺→η’μ⁺ν_μ and First Experimental Study of D⁺→η'l⁺ν_l Decay Dynamics”为题，于2025年3月18日在线发表在Physical Review Letters 134,111801(2025)上。

       自20世纪70年代J/y粒子的发现证实了粲夸克存在以来，粲夸克的性质研究一直是高能物理研究的前沿。D介子是最轻的含粲夸克介子，只能通过弱衰变到末态粒子，这为研究粲夸克弱衰变机制提供了理想平台。D介子处于高能微扰QCD能区和低能非微扰QCD能区之间，对D介子衰变的研究可以加深对微扰-非微扰QCD的理解。D⁺介子到η^'介子的半轻跃迁可描述为粲夸克的贝塔衰变,衰变过程中粲夸克跃迁到下夸克释放W⁺玻色子，进而转化为轻子l⁺和中微子v_l，反下夸克不参与粲夸克跃迁；粲夸克跃迁后，下夸克和旁观反下夸克进而强子化为η^'介子。理论上，D介子半轻衰变中强相互作用和弱相互作用分别可以参数化为强子形状因子f₊(q²)和CKM矩阵元|V_cd|，其中强子形状因子描述初末态夸克间强相互作用，可以通过格点QCD或其他理论模型计算得到；CKM矩阵是标准模型基本参数，用于描述夸克味道本征态与弱相互作用本征态的混合强度。D介子半轻衰变微分跃迁率正比于f₊(q²)和|V_cd|乘积，实验上测量衰变微分跃迁率便可提取出f₊(q²)|V_cd|，用于检验相关理论。此外，标准模型要求不同代轻子与规范玻色子具有相同的耦合强度，这就是轻子普适性，D介子电子半轻衰变和缪子半轻衰变的分支比测量可以检验轻子普适性。在过去的几十年里，D介子衰变至基态介子的半轻衰变大多有了很好的实验和理论研究。然而，D⁺→η’e⁺ν_e的实验研究很少，D⁺→η’μ⁺ν_μ的实验研究则完全空白，这主要是因为很小分支比(～10^-4)以及复杂本底带来的实验难度。BESIII实验在2010-2011年，2022-2024年在束流质心能量3.773 GeV处共采集20.3 fb^-1正负电子对撞数据，这是目前世界上最大的近阈D介子样本，大数据量以及干净实验环境为研究D⁺→η'l⁺ν_l提供了实验契机。

      研究团队通过分析BESIII实验中正负电子湮灭产生的约6千万对D⁺D^-事例，首次以8.6σ的信号显著性观测到D⁺→η’μ⁺ν_μ信号，测量分支比为B(D⁺→η'μ⁺ν_μ)=(1.92±0.28±0.08)×10^-4；改善测量D⁺→η’e⁺ν_e分支比为 B(D⁺→η' e⁺ν_e)=(1.79±0.19±0.07)×10^-4。二者的比值为R_μ/e=1.07±0.19±0.03，在误差范围内与标准模型内轻子普适性的理论预期一致。通过测量D⁺→η'l⁺ν_l的衰变分宽度，首次在实验上抽取到D⁺→η^'强子跃迁形状因子f^D+→η'₊(0)=0.263±0.026。形状因子和分支比结果有力地排除了一些理论模型，如图1所示。这些结果对约束粲夸克衰变中的新物理空间有重要作用。

图1. D⁺→η'l⁺ν_l的分支比和形状因子测量值与不同理论计算比较

该项研究由苏州大学博士后潘祥及其合作导师徐新平教授、复旦大学罗涛研究员、高能所马海龙研究员的研究团队完成，以BESIII合作组的名义发表。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部和博士后基金相关项目的资助。

     论文链接://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.134.111801 DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.111801