大型强子对撞机实验首次窥见“仄米世界”

揭示一种极其罕见的粒子衰变

LHCb中的探测器。图片来源：CERN

本报讯一项基于大型强子对撞机（LHC）数据的全新分析，揭示了一种极其罕见的粒子衰变，为探索粒子物理学及其背后的奥秘打开了大门。相关研究成果10月30日公布于预印本平台arXiv。

粒子物理学的标准模型描述了所有已知粒子及其相互作用规律，但无法解释占据宇宙绝大部分的暗物质和暗能量。因此，科研人员使用粒子对撞机实验来检验他们的预测，并搜寻新粒子和新作用力的迹象。

现在，在欧洲核子研究中心（CERN）粒子物理实验室的大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）中，Paula Collins和同事发现了涉及底夸克粒子罕见衰变的首个证据，为相关研究打开了一个全新的世界。

“我们已经寻找它40多年了。”Collins说，“大家都欣喜若狂。”

底夸克粒子通常在LHC的粒子碰撞中产生，但研究人员关注的是一个特定过程：一个底夸克被其反物质对应物反底夸克所湮灭，产生了另一个粒子和反粒子对，即类似电子的缪子和反缪子，这些粒子都可以被探测到。然而这一过程极其罕见，几十年来一直未能被实验证实。

“按照现有物理定律，这些极其罕见的衰变几乎不可能发生。”团队成员、英国剑桥大学的Harry Cliff说，“大约每百亿个底夸克粒子中，才会有一个发生这种情况。”

这一发现尚属初步结果，仍存在较大的不确定性：显著性水平为3.2个标准差，而判定为正式发现的黄金标准是5个标准差。这意味着实验中的信号有一定概率是随机出现的，并不具有实际意义。

Cliff表示，未来的实验有望降低这种不确定性，但数据表明，我们已经进入“仄米世界”—— 一个尺度小到1/1021米的世界，是实验室迄今探测到的最小尺度。这个世界的未知“居民”可能会影响底夸克粒子的衰变过程；由于这一过程极其罕见，一旦发生，研究人员会立刻察觉到这种变化。因此，测量这一过程就像在勘测“仄米世界”。

“团队竟然能够观测到这一极其罕见的事件，确实令人惊讶。”美国辛辛那提大学的Jure Zupan表示，这得益于LHCb团队近年来进行的技术升级。“这就像一台非常强大的显微镜，如今你能看到更短的距离，是因为眼前不再有雾气。”Zupan说。

英国伯明翰大学的Cristina Lazzeroni表示，这一过程不仅极其罕见，而且数学理论对它的预测也非常准确，因此研究它是对标准模型的一次特别重要的检验。

尽管新测量结果与标准模型相符，但美国劳伦斯·伯克利国家实验室的Zoltan Ligeti表示，这并不意味着所有可能的新粒子都被排除在外。在他看来，新测量结果表明，这类粒子的影响必然很小，但并非可以忽略不计，而LHCb未来可以进一步量化这一点。

不过，Cliff却担心该团队的未来。去年，英国政府撤回了对一项计划中的升级LHCb的资助。“我们正在努力想办法，看看能否继续开展这类研究。”（李木子）

相关论文信息：

https://doi.org/10.48550/arXiv.2611.00230