寻找40多年，科学家终于获得一种罕见粒子衰变的证据

本文来自微信公众号： 原理 ，作者：小雨2024年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的LHCb实验完成了一次重大升级。研究人员希望借助升级后的探测器和更强大的数据分析能力，找到一种物理学家寻找了40多年的罕见衰变：一个中性B介子衰变成一个缪子和一个反缪子。

如今，这项努力终于取得了突破。一个国际物理学家团队，首次通过单个实验获得了这种粒子衰变过程的证据。这一结果不仅为检验粒子物理学的标准模型提供了新的机会，也可能为探索一个被称为“仄普托宇宙”（zeptoverse）的奇异微观世界打开大门。

罕见的衰变夸克，是构成物质的基本粒子之一。根据粒子物理学的标准模型，夸克共有六种，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。底夸克属于质量较大的夸克。它会与其他夸克结合，形成被称为强子的复合粒子。

其中，B介子就是一种含有底夸克的粒子。根据与之结合的另一个夸克的不同，B介子又有不同种类。而此次研究关注的是一种中性B介子，由一个反底夸克和一个下夸克组成。当这些含有底夸克的粒子一旦产生，它们通常只能存在约1.5皮秒（1皮秒=1×10⁻¹²秒），随后便会发生衰变，转变为其他粒子。

此次研究关注的，就是中性B介子衰变成一个缪子和一个反缪子。根据粒子物理学标准模型的预测，这是一个极其罕见的过程，发生概率约为100亿分之一。所以，要从海量的粒子碰撞事件中，寻找这种衰变发生的证据是极其困难的。

强大的探测器LHCb是大型强子对撞机上的四大主要实验之一，2024年，LHCb完成了一次历时约15年的重大升级。升级后的实验能够以最高达到此前5倍的速率收集数据，为寻找极其罕见的衰变创造了条件。

升级后的LHCb包含了一个重要的部件——硅像素探测器。它被称为顶点定位器，距离大型强子对撞机的粒子束流仅约5毫米，能够以极高的精度追踪粒子的运动轨迹，并确定粒子产生和衰变的位置。这项能力对于本次研究尤其重要。

研究人员不仅需要识别最终产生的两个缪子，还需要精确确定它们是否来自同一个B介子的衰变。与此同时，研究人员还运用了机器学习技术，帮助从海量碰撞事件中识别可能的信号，并抑制大量背景噪声。

在分析过程中，团队将2024年和2025年新采集的数据，与2011年至2018年间收集的历史数据结合起来，最终获得了这次重要结果。经过统计分析，研究人员将信号的统计显著性提高到了3.2σ。

在粒子物理学中，3σ通常被视为构成证据的门槛，而正式宣布一项新发现，通常需要达到5σ。这意味着，虽然这次研究尚未达到粒子物理学正式宣布新发现所要求的5σ标准，但已经为这一长期追寻的衰变过程提供了重要证据。

敲响新宇宙的大门这项研究还有一个更长远的科学意义：它可能帮助物理学家探索所谓的仄普托宇宙。仄普托（zepto）是国际单位制中的一个词头，代表10⁻²¹。因此，1仄米（zeptometre）就是10⁻²¹米，也就是十亿分之一的万亿分之一米。

在这样极其微小的尺度上，物理学家希望寻找目前尚未发现的粒子，以及可能超出标准模型的新相互作用。而这次观测到的罕见衰变，正是探索这些未知的一种重要途径：一般来说，某种衰变越罕见，就越容易受到新粒子的影响。

若在更微小的尺度上存在新粒子，它们就可能通过量子效应为这种衰变提供额外途径，从而改变它发生的频率。也正因为如此，这类衰变长期被视为寻找新物理的“黄金通道”。未来，LHCb实验还将继续收集更多数据，计划中的进一步升级有望将数据采集速率再提高一个数量级，使科学家能够更加精确地测量这些罕见衰变。

更长远来看，随着下一代高亮度大型强子对撞机投入运行，物理学家将获得更多探索微观世界的机会。虽然这次研究还没有发现标准模型之外的新物理，但它让科学家终于捕捉到了寻找40多年的微弱信号，也为未来借助罕见衰变探索更深层次的微观世界，打开了一扇新的窗口。

#参考来源：https://arxiv.org/abs/2611.00230https://www.cam.ac.uk/stories/zeptoverse#图片来源：LHCb Collaboration/Federico Leo Rede