BEPCII/BESIII重粲结构精细扫描和QCD实验研究

The precision test and parameter measurements of the Standard Model, and the exploration of new physics are still the most important subjects in high energy physics. These rely on the measurements of total hadronic production cross section, i.e., the R values, in the low energy region. The project is proposed to do a fine scan between 2.0 - 4.6 GeV at about 120 energy points by collecting data samples with large statistics. In this project we will study the structures of heavy charmonia, and measure R values, the resonant parameters, some form factors and spectra of the hadonic final states with much smaller errors compared to that of BESII. With this project we will be able to provide more precise input parameters to theoretical calculation of the runing coupling constant alpha(s), the abnormal magnetic moment (g-2) of the muon, and the global fit of the Higgs mass, and do some experimental tests to QCD.

标准模型精确检验和参数测量以及对新物理的探索仍然是最重要的高能物理课题，而这些依赖于低能区精确测量的强子产生总截面即R值。本项目将在2.0 - 4.6 GeV能区的大约120个能量点进行精细扫描，获取大统计量数据样本，测量R值，研究重粲偶素结构并测量共振参数，测量强子形状因子和末态谱分布，误差将比BESII的结果有显著减小，对电磁跑动耦合常数alpha(s)、缪子反常磁矩(g-2)理论计算以及Higgs粒子质量全局拟合提供更精确的输入参数，对QCD进行某些实验检验。

BEPCII/BESIII能区正负电子湮没数据对于标准模型精确计算是必不可少的输入量，在该能区没有其他实验设施，因此具有独特地位。本项目研究内容主要包括两个方面：全能区强子产生总截面（即R值）测量；对QCD有典型意义的特定强子态产生截面和形状因子测量。项目组提出了完整的实验计划，并成功地完成了两轮扫描实验，在130个能量点获取了数据，得到了该能区世界上扫描最精细、统计量最大的样本。在此基础上，初步完成了连续能区R值测量，精度达到3%，为该能区最高精度，预期将对电磁跑动耦合常数alpha(s)、缪子反常磁矩(g-2)的理论计算提供帮助；测量了质子形状因子，并在三个能量点/区间测量了电、磁形状因子之比，在北京谱仪三十年历史上属首次，该研究对认识质子的内部结构具有重要意义；全面开展重子对近阈产生研究，在Lambda对产生、Lambda_c对产生两个反应道观测到非零近阈截面，对现有理论提出了挑战，同时还测量了重子Lambda的有效形状因子及粲重子Lambda_c的电磁形状因子之比；研究了Collins效应，通过测量带电双pion之间的关联，首次在BESIII发现存在关于方位角的非对称性，并且这种非对称性是随着能量份额及横动量而增长的，该结果可用于深度非弹散射实验中抽取自旋相关部分子分布的输入参数；精确测量了D介子半轻子衰变D0(+)→π-(0)μ+νμ分支比，其中D+→π0μ+νμ属首次测量，验证了轻子与规范波色子的耦合与其味道无关，与理论相比差别在二倍标准差之内，解决了此前实验数据与理论预期不符的问题，确认了轻子普适性是正确的；在一些强子道产生过程中，观察到若干奇特结构，有待于进一步细致研究；在本项目推动下，强子事例产生器LUARLW得到完善和发展，有望成为低能区通用强子事例产生器。基于本项目研究工作发表文章20篇，其中PRL 3篇，IJMPA 1篇，PLB 3篇，PRD 7篇，CPC 4篇，其它2篇。