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粲偶素是由一对正反粲夸克通过强相互作用组成的束缚态。1974年,实验上观测到了第一个粲偶素家族的粒子J/ψ,紧接着一系列的粲偶素成员相继被实验发现。ψ(2S)是D(-D)质量阀以下最重的粲偶素态,它可以辐射衰变到电荷宇称为正的粲偶素态,如ηc(2S),xcJ(J=1,2)以及ηc(1S)。但至今人们尚未在实验上观测到ψ(2S)→γηc(2S)辐射跃迁。这方面最近的研究来自CLEO-c实验,他们没有观测到显著的信号,只确定了ψ(2S)→γηc(2S)跃迁产额的上限。
BESⅢ探测器采集了106M的ψ(2S)数据,它是目前为止世界上统计量最大的ψ(2S)数据样本,大约是CLEO-c数据量的四倍。我们利用这个样本尝试寻找了ψ(2S)到ηc(2S)的辐射跃迁,其中ηc(2S)共振态通过K0SK+π-+c.c.(K0S→π+π-)的强子末态重建。结果,我们观测到一个显著性为4.5σ的信号,质量3636.0±2.0±0.7MeV/c2,宽度7±7±3MeV,联合分支比为B(ψ(2S)→γηc(2S))×B(ηc(2S)→K0SK+π-+c.c.)=(2.68±0.89±0.24)×10-6,测量结果中的第一项误差均是统计误差,第二项都是系统误差。利用BaBar测量结果B(ηc(2S)→K(-K)π)=(1.9±0.4±1.1)%,我们抽取到分支比B(ψ(2S)→γηc(2S))=(4.23±1.66±2.48)×10-4。
本文的观测结果是ψ(2S)→γηc(2S)电磁偶极距跃迁的首个有力实验证据,我们测量到的ηc(2S)的质量和宽度与之前实验的测量结果符合,跃迁率的测量结果也与理论模型计算结果一致。