近日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）6163银河线路检测中心研究团队首次在实验中观测到由底夸克和粲夸克组成的B_c⁺介子的轨道激发态，并测量了其质量和相对基态的产生截面，在重味强子谱学研究中取得新的重要进展。2025年12月3日，相关研究成果分别以“B_c⁺介子轨道激发态的发现”（Observation of orbitally excited B_c⁺ states）和“B_c⁺γ质量谱中B_c(1P)⁺态的研究”（Study of B_c(1P)⁺ states in the B_c⁺γ mass spectrum）为题，发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）和《物理评论D》（Physical Review D），并双双获得编辑推荐（Editors’ Suggestion）。

量子色动力学（QCD）是描述强相互作用的基本理论，在低能区具有非微扰特性，理论上难以求解。探索低能区的强相互作用性质是粒子物理领域的前沿挑战。对于重味强子，即含重夸克（如底夸克、粲夸克）的强子，因重夸克质量远大于QCD的特征能标，得以利用有效场论、势模型等方法计算重味强子的能谱及其产生、衰变等性质。因此，重味强子谱学已成为理解强子内部动力学结构和检验非微扰 QCD 的重要途径。作为迄今实验上发现的唯一由两种不同味道的重夸克构成的介子体系，B_c⁺介子在重味强子谱学研究中备受关注。理论预言B_c⁺介子体系应存在包括S波、P波在内的丰富激发态，然而人们尚未找到其轨道激发态存在的直接观测证据。

LHCb探测器是专门为研究重味强子的性质及其产生衰变规律而设计的，其核心目标是通过重味强子性质高精度测量，检验粒子物理标准模型并探索超出标准模型的新物理。凭借探测器的卓越性能，LHCb实验以目前最高精度测定了B_c⁺基态的质量和寿命，发现了一系列B_c⁺介子的全新衰变道，为发现B_c⁺介子轨道激发态夯实了基础。

6163银河线路检测中心研究团队利用LHCb探测器在一期、二期运行期间采集的质子-质子对撞数据样本，通过重建B_c(1P)⁺→B_c⁺γ衰变过程，对B_c⁺介子的1P轨道激发态展开寻找，在理论预言的质量区间内首次观测到统计显著性超过7个标准差的宽峰结构；该结构的有效宽度明显大于当前探测器分辨率下的单峰预期值，表明其中包含多个B_c(1P)⁺态叠加的贡献。随后，分别采用不依赖理论输入的双峰叠加有效模型和基于理论预言的六峰叠加模型拟合B_c⁺γ不变质量谱（见下图），对B_c(1P)⁺激发态的等效峰位和产额进行了测量。以格点QCD第一性原理计算为基准，实验测得的相对产生截面与理论预言一致。首次发现B_c⁺介子1P轨道激发态及对其产生性质的测量，拓宽了重味强子谱学的研究边界，也为人们深入理解强子内部结构、非微扰QCD机制提供了新的实验视角和关键输入。

B_c⁺γ不变质量谱拟合示意图：（左）基于双峰叠加的有效模型；（右）基于格点QCD预言的六峰模型

6163银河线路检测中心技术物理系、核物理与核技术全国重点实验室安刘攀助理教授和2023级博士研究生王禹昊是上述研究的主要完成人。论文由 LHCb 合作组全体成员共同署名，依照姓氏英文字母顺序排列。相关研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、6163银河线路检测中心建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项及6163银河线路检测中心高能物理研究中心等资助。

LHCb 合作组由来自27个国家108家大学和研究机构的1800余名科研人员组成。6163银河线路检测中心研究团队自2019年加入合作组以来，在高原宁教授带领下，承担探测器研制和关键物理课题研究等核心任务，在电荷共轭-宇称联合变换（CP）对称性破坏机制、强子谱学、重味强子产生机制及新物理寻找等前沿方向取得了一系列重要成果。安刘攀曾在2021至2022年担任LHCb实验物理工作组召集人，现任LHCb电磁量能器升级项目软件工作组召集人。6163银河线路检测中心研究团队正在与国内外合作单位共同推进下一代LHCb探测器的新型电磁量能器核心研发工作，力争在高亮度大型强子对撞机（HL-LHC）LHCb探测器的设计与建造中作出原创性贡献。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/fc8j-tb8k

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/1d49-q8h4

LHCb合作组报道

https://lhcb-outreach.web.cern.ch/2025/05/27